( PDF ) Estudos físico-químicos do efluente produzido por fossa séptica biodigestora e o impacto do seu uso no solo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

“ESTUDOS FÍSICO-QUÍMICOS DO EFLUENTE PRODUZIDO POR

FOSSA SÉPTICA BIODIGESTORA E O IMPACTO DO SEU USO NO

SOLO”

Adriana Soares Faustino*

Dissertação apresentada ao Departamento de

Química da Universidade Federal de São

Carlos como parte dos requisitos para obtenção

do título de Mestre em Química, área de

concentração: Química Analítica.

Orientadora: Dra. Ana Rita de Araujo Nogueira

Co-orientador: Dr. Wilson Tadeu Lopes da Silva

* Bolsista CNPq

São Carlos

2007

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A necessidade ensina a lebre a correr.

(Provérbio gaúcho)

À Deus por iluminar meus caminhos,

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Aos meus amados pais Antônio e Margarida, pilares da minha vida; aos meus

queridos irmãos Ademir e Alexandre pelo apoio e incentivo.

Dedico

AGRADECIMENTOS

À Dra. Ana Rita de Araújo Nogueira pela orientação, sugestões e auxílios na realização deste

trabalho.

Ao Dr. Wilson Tadeu Lopes da Silva pela orientação, amizade e confiança durante a

realização deste trabalho.

Ao Dr. Antônio Pereira Novaes pelo atencioso acompanhamento durante o trabalho.

Ao Dr. Marcelo Luiz Simões, Dr. Joaquim Araújo de Nóbrega, Dra. Débora Marcondes

Bastos Pereira Milori, Dr. Ladislau Martin-Neto pelas sugestões e auxílio na realização deste

trabalho.

Ao Renê e Godoy, pela valiosa e pronta ajuda sempre que necessitei.

À Dra. Maria Olímpia de Oliveira Rezende e ao pessoal do laboratório de Química Ambiental

do IQSC-USP pela contribuição nas medidas de carbono.

À Lílian, pela valiosa ajuda no laboratório.

Ao Marcos e Gilberto Batista, da Embrapa Pecuária Sudeste, pelas medidas de macro e

micronutrientes no solo.

À Cristina, da Embrapa Pecuária Sudeste, pelo auxílio no laboratório.

Aos Srs. Gilberto Morsseli e Paulo, responsáveis pelo Sítio Aparecida e pela Fazenda Morro

Verde, respectivamente, onde foram coletadas as amostras da Fossa Séptica Biodigestora.

À Sobloco Construtora S.A., em especial ao Engenheiro Agrônomo Lourenço Chermam

Salles da Fazenda Santa Cândida, onde foram coletadas as amostras de solo.

Às secretárias do Programa de Pós-graduação da UFSCar, Cristina, Aryane e Luciane, pela

atenção, simpatia e ajuda.

Aos meus velhos amigos Daniela D., Eduardo, Marcus, Nilva, Sheila, Shirlei, Tânia, Tereza e

Thatiane, que mesmo distantes, nunca deixaram de estar presentes. Obrigada pelo carinho.

Aos novos, Kelly, Eveline, Ursula, Fernanda, Lílian, Daniel e André pela paciência,

companheirismo, boas conversas e risadas, que tornaram mais agradável minha estadia em

São Carlos, muito obrigada.

Aos colegas e amigos de trabalho Aline, Ana Flávia, André, Bruno, Cléber, Danielle, Edilene,

Fernanda, Fernando, Kelly, Larissa, Lilian, Lucimar, Robson e Ursula.

Aos colegas e amigos de trabalho do GAIA, Eveline, Carla, Silvéria, Rodolfo, Edivan, Mário,

Fernanda, Wladiana, Alexandra, Daniela pelas sugestões e auxilio no laboratório.

À Embrapa Instrumentação Agropecuária e Embrapa Pecuária Sudeste por possibilitar a

realização deste trabalho.

À Universidade Federal de São Carlos, em especial ao Departamento de Química.

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela bolsa

concedida.

Ao Ministério do Desenvolvimento Agrário pelo apoio financeiro.

À minha querida família: Pai, Mãe, Mimi e Sandro pelo amor.

Ao MUR onde conheci pessoas maravilhosas, verdadeiros anjos de Deus na minha vida, que

me ensinaram a SONHAR.

À JESUS, amigo de todas as horas, fonte de inspiração e vida, por não me deixar desistir duas

vezes no mesmo dia, meu eterno agradecimento e espera.

E a todos que de alguma forma contribuíram significativamente para a realização deste

trabalho, obrigada.

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS............................................................................................................... I

LISTA DE TABELAS........................................................................................................... IV

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS............................................................................V

RESUMO................................................................................................................................ VI

ABSTRACT ..........................................................................................................................VII

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ............................................................................................1

CAPÍTULO 2 – REVISÃO DE LITERATURA....................................................................3

2.1 – TRATAMENTO DE ESGOTO ..............................................................................................3

2.1.1 – Tratamento de Esgoto na Área Rural.....................................................................4

2.2 – Processos Biológicos.................................................................................................5

2.2.1 – Digestão Anaeróbia ............................................................................................6

2.3 – FOSSA SÉPTICA BIODIGESTORA ......................................................................................7

2.4 – PROPRIEDADES QUÍMICAS DO SOLO................................................................................9

2.5 – MATÉRIA ORGÂNICA DO SOLO .....................................................................................11

2.5.1 – Substâncias Húmicas............................................................................................12

2.5.1.1 – Modelo Macromolecular para as Substâncias Húmicas................................12

2.5.1.2 – Modelo Supramolecular para as Substâncias Húmicas.................................14

2.6 – DISPONIBILIDADE DE NUTRIENTES NO SOLO.................................................................15

2.7 – DISPOSIÇÃO DE RESÍDUOS NO SOLO..............................................................................16

2.8 – EFEITO DA ADIÇÃO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS NAS CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS E

FÍSICAS DO SOLO ...................................................................................................................17

2.9 – MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS .....................................................................................18

2.9.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)...........18

2.9.2. – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)....................20

2.9.3 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) ...............................22

2.9.4 – Espectroscopia de Fluorescência em Solução .....................................................26

2.9.4.1 – Modalidade de Emissão.................................................................................28

2.9.4.2 – Modalidade Sincronizada ..............................................................................30

2.9.5 – Espectroscopia de Fluorescência Induzida por Laser (FIL)................................31

2.10

– ESPECTROMETRIA DE EMISSÃO ÓTICA COM PLASMA ACOPLADO INDUTIVAMENTE (ICP

OES) .....................................................................................................................................33

2.11 – COMPOSIÇÃO ELEMENTAR..........................................................................................34

CAPÍTULO 3 – OBJETIVOS...............................................................................................36

CAPÍTULO 4 – MATERIAIS E MÉTODOS......................................................................37

4.1

– PARTE 1: AMOSTRAS DE EFLUENTE ..............................................................................37

4.1.1 – Amostragem e Preparo do Material da Fossa Séptica Biodigestora...................37

4.1.2 – Análises do Efluente .............................................................................................40

4.1.2.1 – Parâmetros Físico-químicos ..........................................................................40

4.1.2.2 – Condutividade e pH.......................................................................................40

4.1.2.3 – Análise Elementar e Teor de Cinzas..............................................................40

4.1.2.4 – Determinação de Macro e Micronutrientes no Efluente por Espectrometria de

Emissão Ótica com Plasma Acoplado Indutivamente (ICP OES) ...............................41

4.1.2.5 – Análises Espectroscópicas.............................................................................41

4.1.2.5.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

..................................................................................................................................41

4.1.2.5.2 – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) .........41

4.1.2.5.2 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear...............................42

4.2 – PARTE 2: AMOSTRAS DE SOLO ......................................................................................43

4.2.1 – Amostragem e Preparo de Solo............................................................................43

4.2.2 – Análises do Solo ...................................................................................................44

4.2.2.1 – Condutividade e pH do Extrato do Solo........................................................44

4.2.2.2 – Análise de Macro e Micronutrientes Disponíveis no Solo............................44

4.2.2.3.1 – Extração de Macronutrientes (Ca, Mg, K, P) com Mistura de Resinas

Trocadora de Íons.....................................................................................................44

4.2.2.3.2 – Extração de Micronutrientes (Cu, Fe, Mn, Zn) Usando Solução de DTPA

em pH 7,3 .................................................................................................................45

4.2.2.3 – Determinação do Carbono Orgânico Total....................................................46

4.2.2.4 – Espectroscopia de Fluorescência Induzida por Laser (FIL) ..........................46

4.3 – PARTE 3: AMOSTRAS DE ÁCIDOS HÚMICOS EXTRAÍDOS DO SOLO ................................47

4.3.1 – Extração e Fracionamento de Ácidos Húmicos do Solo......................................47

4.3.2 – Análises dos Ácidos Húmicos...............................................................................48

4.3.2.1 – Análise Elementar e Teor de Cinzas..............................................................48

4.3.2.2 – Análises Espectroscópicas.............................................................................48

4.3.2.2.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

..................................................................................................................................48

4.3.2.2.2 – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) .........48

4.3.2.2.3 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)..................49

4.3.2.2.4 – Espectroscopia de Fluorescência em Solução ........................................49

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO ...............................................................51

5.1 – CARACTERIZAÇÃO DO EFLUENTE .................................................................................51

5.1.1 – Parâmetros Físico-químicos ................................................................................51

5.1.2 – Análise Elementar ................................................................................................53

5.1.3 – Macro e Micronutrientes do Efluente...................................................................55

5.1.4 – Análises Espectroscópicas....................................................................................56

5.1.4.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR).....56

5.1.4.2 – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) ................60

5.1.4.3 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN).........................62

5.2 – IMPACTO CAUSADO PELA ADIÇÃO DE EFLUENTE NO SOLO...........................................73

5.2.1 – Condutividade e pH..............................................................................................73

5.2.2 – Macro e Micronutrientes Disponíveis no Solo.....................................................74

5.2.3 – Carbono Orgânico Total (COT)...........................................................................75

5.2.3 – Espectroscopia de Fluorescência Induzida por Laser (FIL)................................76

5.3

– MATÉRIA ORGÂNICA DO SOLO (ÁCIDOS HÚMICOS)......................................................77

5.3.1 – Análise Elementar ................................................................................................77

5.3.2 – Análises Espectroscópicas....................................................................................79

5.3.2.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR).....79

5.3.2.2 – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) ................81

5.3.2.3 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN).........................84

5.3.2.4 – Espectroscopia de Fluorescência em Solução ...............................................87

5.3.2.4.1 – Modalidade de Emissão..........................................................................87

5.3.2.4.2 – Modalidade Sincronizada .......................................................................92

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES ..........................................................................................95

CAPÍTULO 7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................97

FIGURA 2.1 – A. Fossa rudimentar mostrada em um contexto ambiental. B. Esquema de uma fossa rudimentar 4

FIGURA 2.2 – Esquema da via de degradação anaeróbia da matéria orgânica ...................................................... 6

FIGURA 2.3 – Esquema do sistema da fossa séptica biodigestora (NOVAES et al., 2002)................................... 8

FIGURA 2.4 – Modelo de estrutura para AH proposto por SCHULTEN e SCHNITZER (1993)........................ 13

FIGURA 2.5 – Modelo tridimensional de AH proposto por SCHULTEN e SCHNITZER (1997). Carbono : azul;

Oxigênio: vermelho; Nitrogênio: preto e Hidrogênio: branco. As letras A, B e C indicam os espaços vazios

presentes, provavelmente, na estrutura das SH............................................................................................ 14

FIGURA 2.6 – Esquema de estrutura das SH proposto por SIMPSON et al. (2002), unidades vermelhas: cátions

metálicos; unidades pretas: polissacarídeos; unidades azuis: polipeptídios; unidades verdes: cadeias

alifáticas e unidades marrons: fragmentos aromáticos................................................................................. 15

FIGURA 2.7 – A. Esquema simplificado do fenômeno de RPE, mostrando o efeito Zeeman para um sistema com

I = ½; B. característica do espectro de absorção; e C. a primeira derivada do espectro de absorção, a qual é

normalmente detectada nos espectrômetros de RPE, indicando os parâmetros: fator g, largura de linha do

sinal (∆H) e intensidade do sinal (I)............................................................................................................. 20

FIGURA 2.8 – Esquema da estabilização do radical livre do tipo semiquinona (SENESI e SCHNITZER, 1977)

..................................................................................................................................................................... 21

FIGURA 2.9 – Espectro típico de RPE de ácido húmico mostrando o sinal do radical livre do tipo semiquinona

..................................................................................................................................................................... 22

FIGURA 2.10 – Dois níveis de energia dos hidrogênios, como descritos pela mecânica quântica, em um campo

magnético de magnitude B

. N é a população. A direção do campo magnético (↑↑↑) está para cima,

paralelo à ordenada, e B

aumenta para a direita.......................................................................................... 23

FIGURA 2.11 – Na rotação no ângulo mágico, a amostra gira fazendo um ângulo de 54,74º com a direção do

campo magnético (B

) aplicado. O movimento rápido sobre este ângulo promedia em zero as interações

dipolo-dipolo e as anisotropias do deslocamento químico (ATKINS, P. e PAULA, J. 2004)..................... 25

FIGURA 2.12 – Espectro RMN de

C típico de AH mostrando os grupos funcionais associados às bandas

correspondentes (SKJEMSTAD et al., 1998).............................................................................................. 26

FIGURA 2.13 – Níveis vibracionais e eletrônicos de uma molécula orgânica, e caminhos de decaimento

radiativos e não radiativos (NARIMOTO, 2006)......................................................................................... 27

FIGURA 2.14 – Espectro de emissão de fluorescência de AH extraídos de solo tratado com lodo de esgoto,

obtido segundo metodologia de ZSOLNAY et al., (1999). Comprimento de onda de excitação λ

exc

= 240

nm (NARIMOTO, 2006) ............................................................................................................................. 29

FIGURA 2.15 – Espectro de emissão de fluorescência de AH extraídos de solo tratado com lodo de esgoto,

obtido segundo metodologia de MILORI et al., (2002). Comprimento de onda de excitação λ

exc

= 465 nm

(NARIMOTO, 2006) ................................................................................................................................... 30

FIGURA 2.16 – Espectro de varredura sincronizada de AH extraídos de solo tratado com lodo de esgoto, obtido

segundo metodologia de KALBITZ et al., (2000). ∆λ = 55 nm (NARIMOTO, 2006) ............................... 31

FIGURA 2.17 – Montagem experimental para realização de análises de fluorescência induzida por laser

(NARIMOTO, 2006) ................................................................................................................................... 32

FIGURA 2.18 – A. Pastilhas de solo usadas para obtenção dos espectros. B. laser incidindo sobre uma pastilha

de solo.......................................................................................................................................................... 33

FIGURA 4.1 – Sistema da fossa séptica biodigestora instalado no Sítio Aparecida – São Carlos/SP.................. 37

FIGURA 4.2 – Sistema da fossa séptica biodigestora instalado na Fazenda Morro Verde – Itirapina/SP............ 38

FIGURA 4.3 – Sistema da fossa séptica biodigestora instalado na Fazenda Santa Cândida – São Carlos/SP......38

FIGURA 5.1 – Espectros de FTIR do material liofilizado das três caixas do sistema da fossa séptica biodigestora.

O – inoculado com esterco Ovino; Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de

coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema ..... 57

FIGURA 5.2 – Espectros de FTIR do material liofilizado das três caixas do sistema da fossa séptica biodigestora.

B – inoculado com esterco bovino; Os números iniciais 1,2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de

coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema ..... 58

FIGURA 5.3 – Concentração de radicais livres do tipo semiquinona em spin g

-1

obtida para as amostras do

material liofilizado das três caixas do sistema da fossa séptica biodigestora. O – inoculado com esterco

Ovino; B – inoculado com esterco Bovino; 2FSC3 - Fazenda Santa Cândida. Os números iniciais 1, 2 e 3

referem-se, respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006)..................... 62

FIGURA 5.4 – Espectro de RMN de

C de amostras de efluente liofilizado. O – inoculado com esterco Ovino;

Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005;

07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema...................................................... 65

FIGURA 5.5 – Espectro de RMN de

C de amostras de lodo liofilizado. L2O – lodo do sistema inoculado com

esterco Ovino coletado em 07/2006; Os números seguintes à letra referem-se às caixas 1, 2 e 3 do sistema

..................................................................................................................................................................... 66

FIGURA 5.6 – Espectro de RMN de

C de amostras de efluente liofilizado. B – inoculado com esterco Bovino;

Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005;

07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema...................................................... 67

FIGURA 5.7 – Espectro de RMN de

C de amostras de lodo liofilizado. L2B – lodo do sistema inoculado com

esterco Bovino coletado em 07/2006; Os números referem-se às caixas 1, 2 e 3 do sistema ...................... 68

FIGURA 5.8 – Espectro de RMN de

C de amostras de efluente (A) e lodo (B). 2FSC3 – Fazenda Santa

Cândida, caixa 3, coleta 2; L2FSC3 – lodo da caixa 3 do sistema da Fazenda Santa Cândida coletado em

07/2006 ........................................................................................................................................................ 68

FIGURA 5.9 – Porcentagem dos grupos funcionais obtidas através dos espectros de RMN de

C com

VACP/MAS das amostras de efluente de cada caixa e nas três coletas. O – inoculado co esterco ovino; B –

inoculado com esterco Bovino; Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de

coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema ..... 69

FIGURA 5.10 – Média da porcentagem dos grupos funcionais obtidas através dos espectros de RMN de

C com

VACP/MAS das amostras de efluente em cada coleta. O – sistema inoculado com esterco ovino; B –

sistema inoculado com esterco Bovino; Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem

de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) ................................................................................. 70

FIGURA 5.11 – Porcentagem dos grupos funcionais obtidas através dos espectros de RMN de

C com

VACP/MAS das amostras de lodo coletado em 07/2006. L2O – lodo do sistema inoculado com esterco

ovino; L2B – lodo do sistema inoculado com esterco Bovino; Os números seguintes à letra referem-se às

caixas 1, 2 e 3 do sistema............................................................................................................................. 71

FIGURA 5.12 – Porcentagem dos grupos funcionais obtidas através dos espectros de RMN de

C com

VACP/MAS das amostras de efluente e lodo. 2FSC3 – Fazenda Santa Cândida, caixa 3, coleta 2; L2FSC3

– lodo da caixa 3 do sistema da Fazenda Santa Cândida coletado em 07/2006........................................... 71

FIGURA 5.12 – Concentração de macro e micronutrientes disponíveis no solo. A e B – macronutrientes; C e D –

micronutrientes; CE: solo adubado com efluente; NPK: solo com adubação mineral à base de nitrogênio,

fosfato e potássio; M: solo de mata. As numerações referem-se às profundidades amostradas – 1: 0-10 cm;

2: 10-20 cm e 4: 20-40 cm........................................................................................................................... 74

iii

FIGURA 5.13 – Porcentagem de carbono total em amostras de solo. CE: solo adubado com efluente; NPK: solo

com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M: solo de mata....................................... 75

FIGURA 5.14 – Índice de humificação (H

FIL

) obtido através da fluorescência induzida por laser de amostras de

solo dividido pela porcentagem de carbono orgânico das mesmas. CE: solo adubado com efluente; NPK:

solo com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M: solo de mata ............................... 77

FIGURA 5.15 – Espectros de FTIR de AH extraídos de amostras de solos adubados com efluente (CE), solo com

adubação mineral a base de nitrogênio, fósforo e potássio (NPK) e solo de mata....................................... 80

FIGURA 5.16 – Comcentração de radicais livres do tipo semiquinona em spin g

-1

obtida para as amostras de

AH extraídos de solos adubados com efluente (CE), com adubação mineral a base de nitrogênio, fósforo e

potássio (NPK) e de solo de mata (M)......................................................................................................... 83

FIGURA 5.17 – Espectros de RMN de

C dos AH extraídos do solo. CE: solo adubado com efluente; NPK: solo

com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M: solo de mata. As numerações referem-

se às profundidades amostradas – 1: 0-10 cm; 2: 10-20 cm e 4: 20-40 cm.................................................. 84

FIGURA 5.18 – Porcentagem da área total das bandas nos espectros de RMN de

C com VACP/MAS das

amostras de AH. CE: solo adubado com efluente; NPK: solo com adubação mineral à base de nitrogênio,

fosfato e potássio; M: solo de mata. As numerações referem-se às profundidades amostradas – 1: 0-10 cm;

2: 10-20 cm e 4: 20-40 cm........................................................................................................................... 86

FIGURA 5.19 – Espectros de emissão de fluorescência de AH extraídos do solo, medidos com comprimento de

onda de excitação λ

= 465 nm. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a

base de nitrogênio, fósforo e potássio; M – solo de mata ............................................................................ 88

FIGURA 5.20 – Índice de humificação, A

465

, obtido segundo metodologia de MILORI et al., (2002) para os AH

extraídos do solo. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a base de

nitrogênio, fósforo e potássio; M – solo de mata......................................................................................... 89

FIGURA 5.21 – Espectros de emissão de fluorescência de AH extraídos do solo, medidos com comprimento de

onda de excitação λ

= 240 nm. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a

base de nitrogênio, fósforo e potássio; M – solo de mata ............................................................................ 90

FIGURA 5.22 – Índice de humificação, A

, obtido segundo metodologia de ZSOLNAY et al., (1999) para os

AH extraídos do solo. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a base de

nitrogênio, fósforo e potássio; M – solo de mata......................................................................................... 91

FIGURA 5.23 – Espectros de varredura sincronizada de AH extraídos do solo, medidos com diferença de

comprimento de onda de emissão e excitação ∆λ = 55 nm. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo

com adubação mineral a base de nitrogênio, fósforo e potássio; M – solo de mata..................................... 93

FIGURA 5.24 – Índice de humificação, I

456

374

, obtido segundo metodologia de KALBITZ et al., (2000) para os

AH extraídos do solo. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a base de

nitrogênio, fósforo e potássio; M – solo de mata......................................................................................... 94

FIGURA 5.25 – Correlação entre as metodologias de fluorescência propostas para avaliar o índice de

humificação das substâncias húmicas: A. MILORI e ZSOLNAY; B. ZSOLNAY e KALBITZ e C.

MILORI e KALBITZ .................................................................................................................................. 94

TABELA 2.1 – Bactérias presentes no rumem bovino (RUIZ, 1992).....................................................................9

TABELA 2.2 – Bandas no infravermelho do ácido húmico descritas por NIEMEYER et al., (1992) .................19

TABELA 4.1 – Nomenclatura adotada para as amostras de efluente.................................................................... 39

TABELA 4.2 – Nomenclatura adotada para as amostras de lodo de esgoto ......................................................... 40

TABELA 4.3 – Nomenclatura adotada para as amostras de solo.......................................................................... 43

TABELA 5.1 – Parâmetros físico-químicos das amostras de efluente da caixa 3*............................................... 51

TABELA 5.2 – Composição elementar e teor de cinzas em amostras de efluente liofilizado* ............................ 53

TABELA 5.3 – Razões atômicas C/N e H/C das amostras de efluente liofilizado* ............................................. 54

TABELA 5.4 – Composição mineral das amostras de efluente liofilizado da caixa 3*........................................ 55

TABELA 5.5 – Concentração de radicais livres do tipo semiquinona nas amostras de efluente liofilizado*....... 61

TABELA 5.6 – Porcentagem dos grupos aromáticos e alifáticos nas amostras de efluente e lodo obtidas através

dos espectros de RMN de

C* .................................................................................................................... 72

TABELA 5.7 – Valores de pH e condutividade para as amostras de solo* ..........................................................73

TABELA 5.8 – Composição elementar (carbono, nitrogênio, hidrogênio, enxofre e oxigênio) e teor de cinzas em

amostras de AH extraídos do solo*..............................................................................................................77

TABELA 5.9 – Razões atômica C/N e H/C das amostras de amostras de AH extraídos do solo ......................... 78

TABELA 5.10 – Concentração de radicais livres do tipo semiquinona e largura de linha das amostras de AH

extraídos do solo CE, NPK e M, fornecidas por RPE*................................................................................ 82

TABELA 5.11 – Porcentagem dos grupos aromáticos e alifáticos nas amostras de AH obtidas através dos

espectros de RMN de

C............................................................................................................................. 87

ACF Área do Espectro de Emissão de FIL

AF Ácidos Fúlvicos

AH Ácidos Húmicos

CEPAL Comissão Econômica para a América Latina e o Caribe

CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

COT Carbono Orgânico Total

CP Polarização Cruzada

CTC Capacidade de Troca Catiônica

CSA Anisotropia do Deslocamento Químico

Da Daltons

DBO Demanda bioquímica de Oxigênio

DQO Demanda Química de Oxigênio

FIA Análise por Injeção em Fluxo

FIL Fluorescência Induzida por Laser

FTIR Infravermelho com Transformada de Fourier

HU Humina

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

ICP OES Espectrometria de Emissão Ótica com Plasma Acoplado Indutivamente

IHSS Sociedade Internacional de Substâncias Húmicas

MAS Rotação Segundo o Ângulo Mágico

MO Matéria Orgânica

MOS Matéria Orgânica do Solo

OD Oxigênio Dissolvido

ONU Organização das Nações Unidas

PNUD Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento

rf Radiofreqüências

RMN Ressonância Magnética Nuclear

RPE Ressonância Paramagnética Eletrônica

SH Substâncias Húmicas

SSF Sólidos Suspensos Fixos

SST Sólidos Suspensos Totais

SSV Sólidos Suspensos Voláteis

TMS Tetrametilsilano

TFSA Terra Fina Seca ao Ar

VA Amplitude Variável

A geração de efluente a partir do tratamento de esgoto vem se incrementando, e sua

disposição final representa uma questão a ser resolvida. Assim uma das alternativas

encontradas é sua utilização na agricultura como adubo orgânico, podendo substituir parte da

adubação mineral. Essa prática, além de benéfica do ponto de vista da reciclagem de

nutrientes, representa uma economia de água no setor agrícola, que é cerca de 70% do

consumo total no Brasil. Este trabalho visou conhecer as características do efluente produzido

pela Fossa Séptica Biodigestora, um sistema anaeróbio de tratamento de esgoto desenvolvido

pela Embrapa Instrumentação Agropecuária, bem como de avaliar o impacto da aplicação do

efluente no solo. Foram feitas três coletas do material das caixas das diferentes câmaras

biodigestoras, em sistemas inoculados com esterco ovino e bovino. Este material foi analisado

em seu estado bruto (líquido) em algumas análises para a determinação de parâmetros como

condutividade, pH, DBO, DQO e teores de sólidos. Para as demais análises utilizou-se o

sólido obtido após liofilização do líquido. As concentrações de macro e micronutrientes

presentes no efluente foram estimadas usando a técnica de ICP OES. A matéria orgânica

presente no efluente foi caracterizada segundo as espectroscopias de FTIR, RMN de

C e

RPE além da análise elementar. O efluente produzido apresentou caráter alcalino e

concentrações significativas de sais nos dois sistemas analisados. Também foram observadas

quantidades elevadas de N-NH

e baixas de N-NO

, típico de sistemas anaeróbios. A análise

elementar do sólido, obtido após liofilização do líquido, mostrou que não há uma tendência na

variação da composição elementar (C, H, N) ao longo do processo de biodigestão, os quais

foram semelhantes tanto para o sistema inoculado com esterco ovino quanto bovino, assim

como nas diferentes coletas. O efluente apresentou quantidade significativa de nutrientes em

sua composição mineral. Através da caracterização espectroscópica da matéria orgânica do

material liofilizado foi possível notar que não ocorreram muitas variações nos grupamento

funcionais observados através dos espectros de FTIR, no decorrer do processo de biodigestão.

A RMN de

C possibilitou informações à cerca dos grupamentos aromáticos e alifáticos das

amostras, mostrando que o efluente possui caráter bastante alifático. O efluente foi aplicado

no solo durante três anos, sendo este solo classificado como Latossolo Vermelho-Amarelo

fase arenosa utilizado no cultivo de goiaba. Foram comparados os efeitos da adubação pelo

efluente com adubação mineral do tipo NPK. Também foi analisado o solo de mata da região.

Foram feitas análises de pH, condutividade, macro e micronutrientes, COT e FIL utilizando o

solo intacto. Fez-se a extração dos AH dos solos. Os AH foram caracterizados segundo a

composição elementar, FTIR, RMN de

C, RPE e Fluorescência em solução. A adição do

efluente proporcionou um aumento no pH do solo, observado principalmente na camada

superficial. Foi observado um incremento nas concentrações de nutrientes no solo sob uso do

efluente em comparação com o solo com adubação mineral NPK. Alterações na fração

húmica do solo com efluente em relação aos solos com adubação NPK e de mata foram

observadas. Através das técnicas de RMN de

C e RPE foi possível notar diminuição na

aromaticidade e no grau de humificação da matéria orgânica, respectivamente, devido à

incorporação da matéria orgânica do efluente, de caráter bastante alifático. Nas técnicas de

FIL e Fluorescência em solução, o grau de humificação para as amostras do solo com efluente

foram muito similares à do solo com adubação mineral, não sendo observados, através destas

técnicas, efeitos da adição do efluente. O efluente também forneceu macro e micronutrientes

em quantidades significativas ao solo, não sendo observado efeito de salinização nas

profundidades analisadas. Os resultados indicam o efeito benéfico do uso do efluente tratado

pela Fossa Séptica Biodigestora na fertilidade do solo.

vii

The generation of effluent from the sewage treatment is daily increasing then its final

disposition represents a mandatory question to be answered. An alternative is its agricultural

utilization such as organic fertilizer as a partial substitute of mineral fertilizer. This practice,

beyond inherent benefits due to nutrients recycling promotes agricultural water reuse, which

is responsible of around 70% of the total water consumption in Brazil. It was developed a

research following the stages of the domestic sewage treatment in the anaerobic system called

“Septic Cesspool Biodigester”, developed by Embrapa Agricultural Instrumentation, and also

the impact observed in the soil after the application of the treated effluent. Three samplings

were done in the different biodigestion chambers which were inoculated with either ovine or

bovine manure. These effluents were analyzed according to its original state (liquid),

regarding to the determination of some parameters such as conductivity, pH, OBD, OCD and

solids content. Other analyses of the effluent were done in the solid obtained after freeze

drying of the raw treated effluent. There were determined the mineral composition of the

effluent, using the ICP-OES technique. The effluent organic matter was characterized by

FTIR,

C-NMR and EPR spectroscopies and, elemental analysis. The effluent presented

alkaline character and significant salts concentration for both systems, high quantity of N-

and low content of N-NO

, characteristic of anaerobic systems. The elemental analysis

of the solid obtained after the liquid freeze drying, showed that there was not a variation

tendency in the percentages of C, H and N during biodigestion process. These values were

similar to the either ovine or bovine inoculated systems, and to the different samplings. The

effluent presented a quantity of macro e micro nutrients. Through the spectroscopic

characterization of the organic matter present in the freeze dried material, it was possible to

observe that there were not noticeable variations in the FTIR spectra in the course of the

process monitoring. The

C NMR supplied information about aromatic and aliphatic groups,

showing that the effluent presented a high aliphatic content. The soil, classified as Yellow-

redish Lattosoil with sandy phase, was submitted to the effluent application during three years

and was used for the “goiaba” orchard. Thus, there were compared the effects effluent in

comparison of the NPK mineral fertilization as well as the soil of the native forest at the side

of the orchard. Determinations of pH, conductivity, macro and micro nutrients content, TOC

and LIF were done for the intact soil. Soil HA were extracted and characterized according to

their elemental composition, FTIR,

C NMR, EPR and solution fluorescence. The application

of the treated effluent produced an increment in the pH value, mainly in the superficial layer.

There was observed nutrients increment in soil submitted to the effluent application when

compared with the NPK fertilized soil. Alterations in the humic fraction of the analyzed soil

(after effluent application) were observed when compared with the forest and NPK samples.

Results obtained by

C NMR and EPR detected a general diminution of the aromaticity and

the humification degree of organic matter, as a consequence of the aliphatic character of the

organic matter present in the effluent. The humification degree of HA extracted from the

applied effluent soil, determined by LIF and solution, were very similar to the ones observed

in the mineral fertilized soil. The effluent supplied macro e micro nutrients in significant

quantities to the soil, and it was not observed salinization effect in the analyzed depths. These

results show the benefic effect of the utilization of Septic Cesspool Biodigester effluent

regarding to the soil fertility.

_________________________________________________________________________

–

O Brasil regrediu na tarefa de reduzir pela metade a proporção da população rural sem

acesso a saneamento adequado. Quase dois terços dos brasileiros que vivem fora de áreas

urbanas ainda não contam com serviço básico. Isso significa que mais de 20 milhões de

pessoas – o dobro da população de uma cidade como São Paulo – correm maiores riscos de

contrair doenças infecciosas ou parasitárias, que são adquiridas principalmente pelo contato

com o esgoto não tratado e / ou através da água do lençol freático, contaminada pelo uso de

fossas rudimentares (fossa “negra”, poço, buraco). Em toda América Latina e Caribe, o Brasil

é o quarto pior em saneamento rural. Os dados são do estudo “Objetivos de Desenvolvimento

do Milênio – Uma visão a partir da América Latina e do Caribe”, divulgado em 2005 pela

Comissão Econômica para a América Latina e o Caribe (CEPAL). Trata-se do mais amplo

levantamento sobre o tema já feito na região, que envolveu a participação de doze agências da

Organização das Nações Unidas (ONU), incluindo o Programa das Nações Unidas para o

Desenvolvimento (PNUD) (PNUD, 2005).

O relatório mostra que a proporção da população rural brasileira com acesso a

saneamento adequado caiu de 37 % em 1990 para 35 % em 2002. O desempenho foi o pior da

América Latina e fez com que o Brasil retrocedesse 6,3 % em relação ao que deveria alcançar

para reduzir pela metade até o ano de 2015 a população rural carente de esgotamento sanitário,

segundo os Objetivos do Desenvolvimento do Milênio, propostos pela ONU.

Um sistema desenvolvido pela Embrapa Instrumentação Agropecuária apresenta-se

como uma forma de viabilizar o tratamento de esgoto doméstico em áreas rurais, sendo um

sistema simples e de baixo custo para a população rural. Denominado de Fossa Séptica

Biodigestora, o sistema promove o tratamento anaeróbio de fezes e urina através de duas

câmaras de fermentação compostas por caixas d’água de 1000 L interligadas por sistema de

sifão e uma caixa coletora de efluentes. O inoculante que transforma este material é o esterco

bovino ou ovino recém coletado, cuja microflora tem capacidade de digerir qualquer tipo de

alimento contido nestes dejetos, transformando o efluente obtido isento de germes

patogênicos (salmonellas, shigellas e outros) e também de odores desagradáveis.

Devido a sua capacidade fertilizante, o efluente vem sendo indicado no preparo de

solos e na adubação de pomares, apresentando efeito comparável ao da adubação química

inorgânica à base de nitrogênio, fósforo e potássio, a um custo praticamente zero. O retorno

ao solo desse líquido deve ser priorizado, pois transforma um resíduo de disposição

Capítulo 1 – Introdução 2

problemática em insumo de grande valor para a agricultura, já que o efluente fornece

macronutrientes e micronutrientes às plantas, atua como condicionador do solo e dessa forma

contribui para uma agricultura sustentável.

Para as condições brasileiras, a reciclagem agrícola de esgoto apresenta vários

aspectos positivos em função da influência de um clima tropical, que expõe o solo à intensa

atividade intempérica, proporcionando uma rápida mineralização da matéria orgânica.

Considera-se a matéria orgânica como um conjunto de substâncias altamente heterogêneas

que inclui numerosos compostos de carbono, variando de açucares, proteínas e outros

constituintes biológicos, ácidos orgânicos de baixas massas moleculares, como ácidos acético

e oxálico, quase todos facilmente mineralizáveis, até um conjunto complexo de produtos

recalcitrantes resultantes de transformações química e microbiana da matéria orgânica do solo

(MOS) (BUDZIAK et al., 2004). Essa mineralização disponibiliza uma gama de nutrientes ao

meio, podendo ainda contribuir para a elevação do pH do solo e a redução da acidez potencial

(SIMONETE et al., 2003).

–

2.1 – Tratamento de Esgoto

O saneamento no Brasil ainda apresenta grandes problemas, conforme foi identificado

pelas pesquisas realizadas pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) no

período de 1992-2002. Os dados referentes ao esgotamento sanitário são críticos, revelando

índices de cobertura da população urbana, por redes coletoras de 51,6 % e um percentual

desse esgoto coletado que passa por algum tratamento de cerca de 35 % (IBGE, 2004). O

tratamento desse esgoto em geral é feito por combinação de processos físicos, químicos e

biológicos, que reduzem a carga orgânica do esgoto antes do seu lançamento em corpos

d’água. São considerados como tratados os esgotos sanitários que recebem, antes de serem

lançados nos corpos d’água receptores, pelo menos o tratamento secundário, com a remoção

do material mais grosseiro, da matéria orgânica particulada, e de parte da matéria orgânica

dissolvida do efluente. Considera-se como forma de tratamento do esgoto sistemas como filtro

biológico, o lodo ativado, as lagoas aeróbia, anaeróbia, facultativa, de estabilização, aerada,

mista e de maturação, o vale de oxidação, a fossa séptica e o reator anaeróbio (IBGE, 2004).

A escolha do sistema de tratamento é função das condições estabelecidas para a qualidade da

água dos corpos receptores determinadas pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente

(CONAMA).

O esgoto urbano é composto por resíduos domésticos e efluentes industriais sendo que

se estes forem tóxicos devem ser tratados em unidades da própria indústria. A composição do

esgoto é bastante variável, sendo que a matéria orgânica, especialmente as fezes humanas,

confere ao esgoto sanitário suas principais características, mutáveis com o decorrer do tempo,

pois sofre diversas alterações até sua completa mineralização ou estabilização.Enquanto o

esgoto sanitário causa poluição orgânica e bacteriológica, o industrial geralmente produz

poluição química.

Como resultado do baixo percentual de esgoto tratado tem-se que as Regiões

Metropolitanas e grandes cidades concentram grandes volumes de esgoto, os quais são

despejados sem tratamento nos rios e mares que servem de corpos receptores. Em

conseqüência, a poluição das águas que cercam as maiores áreas urbanas é bastante elevada,

dificultando e encarecendo, cada vez mais, a própria captação de água para o abastecimento.

Os corpos d’água podem se recuperar da poluição, ou depurar-se, pela ação da própria

natureza, desde que sejam respeitados os limites de descarga poluidora em função da vazão do

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 4

corpo receptor. Freqüentemente, os mananciais recebem descargas de efluentes muito

elevadas para sua vazão e não conseguem se recuperar pela autodepuração, havendo a

necessidade da depuração artificial ou tratamento do esgoto. O tratamento do efluente pode,

inclusive, transformá-lo em água para diversos usos, como a irrigação, por exemplo, (SOUSA

et al, 2001; ORON et al., 1999).

2.1.1 – Tratamento de Esgoto na Área Rural

O tratamento de esgoto em áreas urbanas no Brasil ainda não é suficiente para atender

a crescente demanda da população, no entanto, apresenta-se num estágio avançado quando se

considera a situação da população na área rural.

Segundo dados do IBGE (2002), na área rural do Brasil há cerca de 32 milhões de

habitantes, que em sua maior parte carecem de sistemas de saneamento básico.

Aproximadamente 16 % dessa população possuem rede coletora de esgotos e/ ou fazem uso

de fossas sépticas. Contudo, a grande maioria (41%) utiliza-se de fossas rudimentares, mais

conhecidas como “fossas negras”, como solução final para o esgoto doméstico gerado (IBGE,

2004).

FIGURA 2.1 – A. Fossa rudimentar mostrada em um contexto ambiental. B. Esquema de uma fossa rudimentar

Essas fossas rudimentares são as principais responsáveis pela contaminação das águas

subterrâneas que abastecem os “poços caipiras”. Na Figura 2.1A é apresentado um esquema

mostrando uma fossa rudimentar em um panorama ambiental. O esgoto gerado na residência é

depositado na fossa, que consiste de uma simples escavação feita no solo, sem qualquer

revestimento interno de suas paredes (Figura 2.1B). No interior da fossa ocorrem reações na

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 5

matéria orgânica presente nas fezes, em virtude da intensa atividade microbiana, com a

liberação de um líquido de odor desagradável e também com altas concentrações de nitrato

(NO

) e coliformes fecais, denominado chorume. Este líquido se infiltra nas paredes da fossa

e percola através do solo podendo atingir e contaminar as águas subterrâneas.

No Estado de São Paulo, verificaram-se alterações nas concentrações naturais de NO

em águas subterrâneas. Dos poços analisados, 3% apresentaram concentrações de NO

superiores a 10 mg L

-1

. Ainda, segundo o relatório da CETESB (2004) foi registrado um

aumento nas concentrações mínimas e máximas detectadas no período de 2001-2003,

indicando um progressivo aporte de nitrato nesses poços atribuído, principalmente, à

contaminação por esgoto doméstico. No mesmo relatório, também são mencionadas

contaminações biológicas das águas subterrâneas, registrando a presença de coliformes fecais

em concentrações na faixa de 1 a 5 % nos aqüíferos analisados.

2.2 – Processos Biológicos

Os processos biológicos usados em tratamento de esgotos são aqueles onde os

microrganismos utilizam a matéria orgânica biodegradável em um reator biológico para

obtenção de energia para as suas atividades e como fonte de matéria prima para a sua

reprodução. Nestes processos, duas reações principais ocorrem, a de respiração, em que os

microrganismos utilizam a matéria orgânica para a obtenção de energia, gerando os chamados

produtos finais da respiração (CO

e H

O) e a reação de síntese e reprodução em que a

matéria orgânica é utilizada como matéria prima para a reprodução dos microrganismos.

Ainda pode-se considerar que na falta de uma fonte externa de matéria orgânica, os

microrganismos consomem matéria orgânica de sua própria composição, através de uma

reação denominada respiração endógena.

No processo biológico, as reações de respiração podem ser pela via aeróbia, quando os

microrganismos utilizam oxigênio dissolvido (OD) para converter a matéria orgânica

biodegradável em dióxido de carbono e água. Na ausência de OD, porém com a presença de

nitrato (N-NO

), em uma condição denominada anóxica, este pode ser utilizado em

substituição ao OD para a reação de respiração, resultando também, como produtos finais da

respiração dióxido de carbono e água e liberação de N-gasoso, em uma reação denominada de

desnitrificação. Na ausência de OD e de N-NO

, a reação de respiração é anaeróbia e tem

como produtos finais dióxidos de carbono e gás metano (ALEM SOBRINHO, 2001).

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 6

2.2.1 – Digestão Anaeróbia

O processo de digestão anaeróbia é conhecido desde o final do século XIX,

caracterizando-se pela estabilização da matéria orgânica em ambiente livre de oxigênio

molecular (Figura 2.3). Devido à robustez e alta eficiência, a digestão anaeróbia está presente

desde em simples fossas sépticas domésticas até em estações completamente automatizadas

servindo a grandes regiões metropolitanas. Dentre os objetivos do processo anaeróbio estão as

seguintes funções:

- redução substancial dos sólidos voláteis;

- redução significativa dos organismos patogênicos;

- estabilização de substâncias instáveis presentes no esgoto.

Normalmente, a digestão anaeróbia é opção preferida de estabilização, devido ao seu

baixo custo operacional. A digestão anaeróbia gera como produtos da estabilização o gás

carbônico e o gás metano, incentivando ainda mais esta opção de tratamento devido ao

potencial energético gerado.

FIGURA 2.2 – Esquema da via de degradação anaeróbia da matéria orgânica

e CO

Acetato

Ácidos orgânicos,

Compostos neutros

Moléculas Orgânicas Complexas

Bactérias Hidrolíticas

Acidogênicas

Bactérias

Heteroacetogênicas

IIIa

Bactérias Metanogênicas

Utilizando H

e CO

IIIb

Bactérias Metanogênicas

Utilizando CH

COOH

O e CH

e CH

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 7

A digestão anaeróbia é um processo bioquímico de múltiplos estágios, capaz de

estabilizar diferentes tipos de matéria orgânica. O processo anaeróbio ocorre basicamente em

seis estágios principais (JEYASEELAN, 1997):

1) Hidrólise de biopolímeros orgânicos complexos (proteínas, carboidratos e lipídeos)

em monômeros (aminoácidos, açucares e ácidos graxos de cadeia longa) por bactérias

hidrolíticas (grupo I) (acidogênicas);

2) Fermentação de aminoácidos e açucares por bactérias hidrolíticas (grupo I);

3) Oxidação anaeróbia de ácidos graxos voláteis e álcoois pelas bactérias

heteroacetogênicas (grupo II);

4) Oxidação anaeróbia de produtos intermediários tais como ácidos graxos voláteis

pelas bactérias heteroacetogênicas (grupo II);

5) Conversão de hidrogênio a metano pelas bactérias metanogênicas utilizando

hidrogênio e dióxido de carbono (grupo IIIa);

6) Conversão de acetato a metano pelas bactérias metanogênicas utilizando acetato

(grupo IIIb).

No biodigestor coexistem três grupos de bactérias mutuamente dependentes entres si:

bactérias acidogênicas hidrolíticas, bactérias acetogênicas e bactérias metanogênicas. Esta

população permanece em equilíbrio dinâmico, variando sua concentração de acordo com as

condições operacionais de cada biodigestor. Outros organismos encontrados e que podem

desempenhar papel fundamental no processo de digestão são as bactérias redutoras de sulfato

e as bactérias desnitrificantes (ALEM SOBRINHO, 2001).

2.3 – Fossa Séptica Biodigestora

O sistema denominado Fossa Séptica Biodigestora foi desenvolvido na Embrapa

Instrumentação Agropecuária, com o objetivo de promover o tratamento de esgoto em áreas

rurais, onde segundo IBGE (2004) cerca de 84 % da população fazem uso de fossas

rudimentares e/ ou não possuem qualquer tipo de captação/ tratamento do esgoto doméstico.

O sistema de fossa biodigestora contribui para a viabilização do tratamento de esgoto

doméstico e conseqüente produção de efluentes desinfetados. Consiste em um tratamento

biológico do esgoto por ação de digestão fermentativa, utilizando-se de esterco bovino/ ovino

como meio inoculante de bactérias (Tabela 2.1). O sistema baseia-se no processo de

biodigestão de resíduos orgânicos (proteínas, carboidratos, lipídeos) através da sua

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 8

decomposição anaeróbia por bactérias (BOLZONELLA et al., 2005) produzindo resíduos

desinfetados, evitando dessa forma, a proliferação de doenças veiculadas pela água poluída

por esgoto doméstico (NOVAES et al., 2002).

Um esquema do sistema é mostrado na Figura 2.2. O sistema é composto por duas

caixas de fibrocimento de 1000 litros cada, conectadas exclusivamente ao vaso sanitário (pois

as águas do chuveiro e da pia não apresentam potencial patogênico e sabão ou detergente

possuem propriedade antibióticas que inibem o processo de biodigestão) e uma terceira caixa

de 1000 litros que serve para coleta do efluente (adubo orgânico).

FIGURA 2.3 – Esquema do sistema da fossa séptica biodigestora (NOVAES et al., 2002)

As tampas das caixas devem ser vedadas com borracha e unidas entre si por tubos e

conexões de PVC de 4”, com curva de 90

longa no interior das caixas e “T” de inspeção para

o caso de entupimento do sistema. Os tubos e conexões devem ser vedados na junção com a

caixa com cola de silicone e o sistema deve fica enterrado para manter o isolamento térmico.

Inicialmente, a primeira caixa deve ser preenchida com aproximadamente 20 litros de uma

mistura 1:1 de água e esterco bovino (ou ovino) fresco. O objetivo desse procedimento é

aumentar a atividade microbiana e conseqüentemente a eficiência da biodigestão, devendo ser

repetido a cada 30 dias com 10 litros da mistura água / esterco através da válvula de retenção.

A Tabela 2.1 apresenta os principais microrganismos existentes no esterco de bovinos, que

atuam em simbiose na degradação dos substratos encontrados nas fezes humanas

(carboidratos, proteínas, gorduras entre outros). O sistema possui duas chaminés de alívio

colocadas sobre as duas primeiras caixas para descarga do gás acumulado (CH

). A coleta do

efluente é feita através do registro de esfera de 60 mm instalado na caixa coletora.

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 9

O dimensionamento do sistema é indicado para uma família de no máximo cinco

pessoas e permite que o material depositado nas caixas fermente por aproximadamente trinta

dias, período suficiente para uma completa biodigestão (SCHOKEN-ITURRINO et al., 1995).

TABELA 2.1 – Bactérias presentes no rumem bovino (RUIZ, 1992)

Tipos de Bactérias Nomes

Celulolíticas

Bacteróides succinogenes, Ruminococus flavefaciens, Ruminococus

albus, Ruminococus Butyrivibrio fibrisolvens

Hemicelulolítica

Butyríbrio fibrisolvens, Bacteróide ruminícola, Ruminococus sp.

Pectinolíticas

Butyvíbrio fibrisolvens, Bacteróides ruminícola, Lachnospira

multiparus, Succinivibrio dextrinosolvens, Treponema bryantii,

Streptococus bovis

Amilolíticas

Bacteróide amylophilus, Streptococus bovis, Succimimonas

Amylolitica, Bacteróide ruminícola

Ureolíticas

Succinivibrio dextrinosolvens, Selenomonsas sp., Bacteróide

ruminícola, Ruminococus bromii, Butivibrio sp., Treponema sp.

Após o processo de desinfecção, o efluente gerado pode ser disposto em solo. Dentre

os principais sistemas de disposição de águas residuárias no solo (irrigação, infiltração/

percolação e escoamento à superfície) a irrigação de culturas tem sido o método mais

acessível (FEIGIN et al., 1991) e eficiente (DARWISH et al., 1999), particularmente, nos

países em desenvolvimento onde não há uma política para o custo de tratamento das águas

residuárias (FRIEDEL et al., 2000).

2.4 – Propriedades Químicas do Solo

O solo, apesar de sua importância vital para a humanidade constitui um material ainda

pouco compreendido. O estudo de sua organização leva em conta os aspectos morfológicos e

estruturais, isto é, estuda seus constituintes (minerais e orgânicos), suas dimensões e o modo

como estes se encontram organizados. Envolve também a análise dos espaços vazios (poros),

reflexo da organização de seus constituintes. Trata-se de um estudo estático que se baseia na

caracterização do chamado perfil do solo. Os perfis se diferenciam através de horizontes,

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 10

segundo uma organização vertical, sendo os superiores mais ricos em matéria orgânica

(horizonte O) e os inferiores sobretudo em minerais (horizontes E, B e C). Tais horizontes se

distinguem pela cor, textura, estrutura e comportamento.

O solo em boas condições para o crescimento de plantas é constituído em seu

horizonte superficial (horizonte A), por aproximadamente 50 % de material sólido, 25 % de

água e 25 % de ar. A proporção de água e de ar no solo pode variar de maneira bastante

acentuada e muito rapidamente, estando associada principalmente ao tamanho e quantidade de

poros existente, disponibilidade de água e drenagem do terreno. A fase sólida, ao contrário, é

mais constante (MELFI e MONTES, 2001). Essas condições influenciam diretamente as

propriedades físico-químicas do solo.

São muitas as propriedades químicas do solo, sobretudo as relacionadas aos aspectos

de fertilidade e nutrição de plantas. A troca iônica é uma delas, e está relacionada à presença

de cargas superficiais, sendo entendida como um processo reversível, pelo qual íons retidos na

superfície são substituídos por quantidades equivalentes de outros íons, estejam estes em

solução ou ligados a uma outra fase sólida em contato com a primeira.

Nos solos, os mais importantes cátions trocáveis são o Ca

, Mg

, H

, K

, Na

. Entre os ânions, os mais importantes são o SO

, Cl

, NO

, H

, HPO

, HCO

os ânions dos ácidos húmicos.

Uma outra propriedade química é a capacidade de troca catiônica (CTC), que define a

habilidade do solo em reter e adsorver cátions. Está relacionada à presença de cargas

negativas na superfície das partículas coloidais (argilominerais, óxidos e oxihidróxidos de Fe

e Al e compostos orgânicos – húmus).

A CTC depende da textura do solo e, mais particularmente, do teor de argila e matéria

orgânica, pois tanto a argila quanto a matéria orgânica apresentam grandes superfícies

específicas, e portanto são materiais bastante reativos, daí possuírem CTC elevada. Destas

duas, a matéria orgânica, normalmente presente em menor quantidade, apresenta CTC cerca

de cinco vezes àquela das argilas, podendo também apresentar grande variação em função da

concentração dos grupos –COOH (MELFI e MONTES, 2001).

O pH é outra propriedade química essencial, pois determina sob que forma os

elementos químicos estarão nas soluções que percolam o solo. Em função do pH do solo e do

pKa dos elementos, pode-se prever sua existência sob uma forma catiônica (ou aniônica), sob

forma de hidróxidos ou ainda sob forma de sais, sendo possível definir a mobilidade dos

elementos em determinado solo, se conhecida a solubilidade dos produtos formados.

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 11

2.5 – Matéria Orgânica do Solo

A matéria orgânica (MO) é um importante constituinte do solo, sendo um componente

fundamental na qualidade dos sistemas agrícolas em razão de seu conteúdo e sua qualidade

serem os mais importantes fatores que mantêm a fertilidade dos solos e a sustentabilidade dos

agroecossistemas (MARTIN-NETO et al., 2004; REEVES, 1997).

Segundo STEVENSON (1994), a matéria orgânica do solo consiste de uma mistura de

compostos em vários estágios de decomposição, que resultam da degradação biológica de

resíduos de plantas e animais, e da atividade sintética de microrganismos, denominado húmus.

Este material complexo pode ser dividido operacionalmente, em substâncias húmicas (ácidos

húmicos, ácidos fúlvicos e humina) e não húmicas (proteínas, aminoácidos, polissacarídeos,

ácidos orgânicos de baixa massa molar ceras e outros).

As substâncias não húmicas pertencem a grupos bem conhecidos da química orgânica

e suas características físicas e químicas são bem conhecidas. Geralmente correspondem aos

compostos facilmente degradados por microrganismos, tendo, normalmente, tempo curto de

vida nos solos e sedimentos. Por sua vez, as substâncias húmicas (SH) são os maiores

constituintes da fração orgânica dos solos, sendo que não apresentam estrutura nem massa

molar definidas.

Quando se pensa em matéria orgânica destaca-se que é um constituinte do solo que

pode representar até menos de 1 % do total em massa, em muitos solos, mas que pelas

características químicas, envolvimento com as atividades biológicas, importância para a

fertilidade do solo e nutrição das plantas, papel na agregação das partículas do solo, e

reatividade com os demais constituintes endógenos e até exógenos ao solo (como pesticidas e

metais pesados) tem papel muito relevante. Dentre as funções que a MO desempenha no solo,

pode-se destacar:

- biológica: regula as atividades da microflora e dos organismos da microfauna;

- nutritiva: serve como fonte de nutrientes para o crescimento das plantas, retendo e

fornecendo tanto os macronutrientes (N, P, K, Ca, Mg e S) quanto micronutrientes (Zn, Fe,

Mn e Cu), impedindo a perda por lixiviação e arraste dos fertilizantes químicos;

- física e físico-química: melhora a capacidade de retenção de água, drenagem, aeração

e conserva a estrutura do solo. É um dos grandes responsáveis pela CTC e pela capacidade

tampão do solo. Participa também no processo de decomposição de agentes tóxicos, formando

compostos complexos com metais tóxicos e pesticidas, ajuda na retenção de calor

influenciando na germinação de sementes e desenvolvimento das raízes (STEVENSON,

1994).

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 12

2.5.1 – Substâncias Húmicas

Segundo ZECH et al. (1997), a humificação é a transformação de reservas

macromorfologicamente identificáveis em compostos húmicos amorfos. Com isso, as

principais transformações que ocorrem durante a humificação, são a perda de polissacarídeos

e de compostos fenólicos, a modificação das estruturas de lignina, e o enriquecimento em

estruturas aromáticas não lignínicas recalcitrantes. A humificação, bem como a decomposição

de resíduo, é mediada primeiramente por processo microbiológico, controlado principalmente

por variáveis locais específicas, tais como temperatura, regime de água no solo, pH e

disponibilidade de nutrientes.

As SH são diferentes de outros biopolímeros do húmus, como carboidratos e proteínas,

pois não apresentam estrutura molecular e propriedades físicas definidas e podem permanecer

por um longo período no solo (recalcitrância). A presença de vários grupos cromóforos em

sua estrutura resulta em absorção de energia em uma ampla faixa do espectro

eletromagnético, o que lhe confere cores variando de marron-clara a escura. Desempenham

um papel significante na formação de agregados, no controle da acidez do solo e no ciclo de

elementos nutrientes. As SH são amorfas, escuras, com grande conteúdo de grupos orgânicos,

tais como, carboxílicos, fenólicos, enólicos, alcoólicos, quinonas entre outros e quimicamente

complexas (STEVENSON, 1994; SAAB, 1999; MARTIN-NETO et al., 2004).

Ainda hoje não existe um modelo estrutural para as substâncias húmicas que explique

totalmente sua composição química, estrutura, forma e tamanho, sendo que os modelos

existentes geram controvérsias e discussões (CLAPP e HAYES, 1999; BURDON, 2001;

HAYES e CLAPP, 2001; MACCARTHY, 2001; PICCOLO, 2001).

2.5.1.1 – Modelo Macromolecular para as Substâncias Húmicas

Até pouco tempo as SH eram consideradas como polímeros macromoleculares, com

características similares às macromoléculas biológicas como proteínas, polissacarídeos,

ácidos nucléicos e lignina. SCHULTEN e SCHNITZER (1993), a partir de técnicas analíticas

tais como pirólise, espectroscopia, degradação oxidativa e microscopia eletrônica, sugeriram a

estrutura esquemática e macromolecular para os ácidos húmicos (AH), mostrada na Figura

2.4. Nessa estrutura, os AH contêm longas cadeias alifáticas, grupos OH fenólicos livres e

ligados, nitrogênio e oxigênio como ponte de ligação dos grupos COOH localizados de

diferentes formas nos anéis aromáticos. De acordo com a solubilidade em função do pH, as

SH podem ser divididas operacionalmente, em ácidos húmicos, ácidos fúlvicos e humina. Os

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 13

ácidos fúlvicos (AF) são solúveis em toda faixa de pH, os ácidos húmicos são solúveis em

meio alcalino e a humina (HU) é insolúvel em toda faixa de pH (STEVENSON, 1994).

FIGURA 2.4 – Modelo de estrutura para AH proposto por SCHULTEN e SCHNITZER (1993)

Em 1997, SCHULTEN e SCHNITZER propuseram a existência de espaços vazios

(Figura 2.5) de diferentes tamanhos, onde poderiam alojar-se outros compostos orgânicos,

hidrofílicos ou hidrofóbicos, como carboidratos e materiais proteináceos, lipídeos, pesticidas e

outros poluentes.

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 14

FIGURA 2.5 – Modelo tridimensional de AH proposto por SCHULTEN e SCHNITZER (1997). Carbono : azul;

Oxigênio: vermelho; Nitrogênio: preto e Hidrogênio: branco. As letras A, B e C indicam os espaços vazios

presentes, provavelmente, na estrutura das SH

2.5.1.2 – Modelo Supramolecular para as Substâncias Húmicas

A “química supramolecular” é definida como a química dos arranjos e das ligações

intermoleculares, envolvendo entidades de grande complexidade que resultam da associação

de duas ou mais espécies químicas unidas por forças intermoleculares, que podem ser ligações

secundárias, ligações de hidrogênio, interações doador-aceptor (tipo ácido-base de Lewis) ou

interações iônicas (OLENDZKI, 2006).

Segundo PICCOLO (2001), as SH seriam moléculas pequenas e heterogêneas, de

várias origens e auto-organizadas em conformações supramoleculares. As superestruturas

húmicas não estariam associadas por ligações covalentes, mas sim seriam estabilizadas por

forças fracas, tais como interações hidrofóbicas do tipo van der Waals e ligações de

hidrogênio, estas últimas sendo mais importantes quanto menor o valor de pH. Estas

interações determinariam a estrutura conformacional nas supramoléculas de SH.

Considerando o modelo supramolecular, os ácidos fúlvicos são associações de

pequenas moléculas hidrofílicas dispersas em solução devido à repulsão eletrostática das

cargas negativas provenientes da dissociação dos grupos ácidos, como por exemplo, os

carboxílicos, a qualquer valor de pH. Os ácidos húmicos são constituídos por associações de

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 15

estruturas predominantemente hidrofóbicas (cadeias polimetilênicas, ácidos graxos e

esteróides), que são estabilizadas em pH neutro por forças dispersivas hidrofóbicas (van der

Waals, π-π, e ligações CH-π). Os ácidos húmicos crescem gradualmente em tamanho com o

decréscimo do pH até a sua precipitação. Segundo PICCOLO (2001), a influência do pH

ocorre por meio da protonação da molécula e conseqüente aumento das ligações de

hidrogênio intermoleculares. O modelo supramolecular foi reforçado pelos resultados obtidos

por SIMPSON, 2002 e SIMPSON et al., 2002. Estes autores demonstraram que as substâncias

húmicas extraídas de solos são formadas por uma mistura de substâncias agregadas de massa

molecular em torno de 2000 Da e propuseram um esquema (Figura 2.6) para ilustrar como as

principais estruturas identificadas nas substâncias húmicas poderiam formar um agregado na

presença de cátions metálicos de ocorrência natural nos ecossistemas terrestres.

FIGURA 2.6 – Esquema de estrutura das SH proposto por SIMPSON et al. (2002), unidades vermelhas: cátions

metálicos; unidades pretas: polissacarídeos; unidades azuis: polipeptídios; unidades verdes: cadeias alifáticas e

unidades marrons: fragmentos aromáticos

2.6 – Disponibilidade de Nutrientes no Solo

A disponibilidade de nutrientes no solo leva em conta três fatores, considerando as

interações entre os nutrientes e a matéria orgânica do solo. Eles são (1) resíduos de plantas e

animais no solo, os quais sob decomposição liberam N, P, S e micronutrientes para o

crescimento das plantas; (2) a biomassa microbiana, a qual serve como estoque temporário de

nutrientes (com tempo médio de residência de meses a poucos anos); e (3) a fração húmica da

matéria orgânica, que tem um longo tempo médio de residência (250 a 1000 anos).

A conversão de formas orgânicas de N, P e S para formas minerais disponíveis (NH

, PO

, SO

) ocorre através da atividade de microrganismos e é influenciada por fatores

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 16

que afetam a atividade microbiana (temperatura, umidade, pH, entre outros) bem como pelas

razões C/N, C/P e C/S de resíduos de plantas em decomposição. Este processo é conhecido

como mineralização e é sempre acompanhado pela conversão de formas minerais de

nutrientes em formas orgânicas, sendo este processo denominado imobilização

(STEVENSON, 1986).

2.7 – Disposição de Resíduos no Solo

Os trabalhos científicos sobre a utilização de esgotos tratados em práticas agrícolas

têm demonstrado que sua disposição no solo adiciona uma série de substâncias que podem

alterar suas propriedades físicas, químicas, físico-químicas e biológicas, afetando em geral,

positivamente o desenvolvimento das plantas (MELO et al., 1994; SOUSA et al., 2001;

FONSECA et al., 2005; HUSSAR et al., 2005; NGOLE et al., 2006; FONSECA et al., 2007).

Os resíduos de esgotos gerados após tratamento são constituídos essencialmente por

matéria orgânica, de acordo com o tipo de tratamento ao qual foi submetido. Isso significa que

sua disposição no solo permite a incorporação de uma quantidade apreciável de matéria

orgânica (MO) nos horizontes superficiais do solo.

A MO, como sabido, desempenha um importante papel na definição de certos

atributos do solo, determinando algumas de suas mais importantes propriedades físicas,

químicas, físico-químicas e biológicas. Indiretamente, sua presença condiciona também a

dinâmica das soluções no interior do solo, afetando, dessa forma, o próprio funcionamento do

sistema pedológico (MELFI e MONTES, 2001).

O uso de efluentes provenientes do tratamento de esgotos na agricultura é uma prática

comum em muitos países (SAADI et al., 2006; FONSECA et al., 2007). Em países de clima

tropical como o Brasil, esse tipo de prática apresenta aspectos positivos em função da

temperatura a qual o solo é exposto, o que favorece a uma intensa atividade intempérica,

proporcionando uma rápida mineralização da MO e também disponibilizando nutrientes ao

meio. A principal vantagem na utilização de efluentes reside na recuperação de um recurso de

grande importância para a agricultura – a água; além disso, os constituintes desses efluentes

são produtos que podem aumentar a fertilidade dos solos por conter nutrientes essenciais às

plantas. Por outro lado, melhoram também a aptidão agrícola dos solos, devido à MO que lhe

é adicionada, com a conseqüente formação de húmus.

A reutilização de efluentes oferece, ainda, vantagens do ponto de vista da proteção do

ambiente na medida em que proporciona a redução ou mesmo a eliminação da poluição dos

meios hídricos habitualmente receptores desse material. Paralelamente dá-se a recarga dos

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 17

aqüíferos, beneficiada com a melhoria da qualidade da água derivada da depuração

proporcionada aos efluentes através da percolação no solo (MIRANDA, 1995).

2.8 – Efeito da Adição de Resíduos Orgânicos nas Características Químicas

e Físicas do Solo

A adição de resíduos orgânicos provoca importantes alterações nos atributos físicos,

químicos e físico-quimicos do solo, em decorrência do aumento do conteúdo de MO. Vários

autores mostraram os efeitos positivos que a adição de matéria orgânica provoca no estado de

agregação das partículas, na porosidade, na densidade, na capacidade de retenção e infiltração

de água, na temperatura, na capacidade de troca catiônica (CTC), no pH e na fertilidade do

solo (METZGER e YARON, 1987; MARCIANO et al., 1999, FONSECA et al., 2005).

Alterações nas propriedades físico-químicas do solo afetam de forma acentuada sua

funcionalidade, pois alteram a circulação das soluções no interior do solo. O pH é uma

propriedade química essencial do solo, visto que a concentração hidrogeniônica define o

comportamento dos elementos químicos no solo e também o comportamento dos seres vivos

(fauna e flora). De uma maneira geral, a adição de resíduos orgânicos provoca um aumento no

valor do pH e também nas cargas negativas do solo (BATAGLIA et al., 1983), sendo que a

existência de cargas elétricas condiciona a reatividade físico-química dos constituintes do solo

com os íons que se encontram na solução do solo ou nos outros constituintes minerais,

polímeros orgânicos ou minerais, que possuam cargas na superfície (MELFI e MONTES,

2001).

Normalmente, o valor de pH de águas residuárias usados em irrigação, não tem

afetado significativamente o pH do solo, por causa do seu poder tampão. Dessa forma, não é

de se esperar efeito direto do efluente no pH do solo, mesmo com a ocorrência de HCO

(uma das formas presentes de alcalinidade) nas águas residuárias. No entanto, existe a

possibilidade dessa alcalinidade associada às altas concentrações de Na

e CO

em águas

alcalinas, ocasionar um aumento no valor de pH do solo (BOUWER e IDELOVITCH, 1987).

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 18

2.9 – Métodos Espectroscópicos

2.9.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier

(FTIR)

A radiação infravermelha corresponde à parte do espectro eletromagnético entre as

regiões do visível e das microondas. A espectroscopia no infravermelho é uma das

ferramentas mais úteis para o químico na identificação de compostos orgânicos e inorgânicos,

pois, com exceção de poucos compostos homonucleares tais como as moléculas de O

, N

, todas as espécies moleculares absorvem radiação infravermelha (SKOOG et al., 2002). A

região do infravermelho de maior utilidade para os químicos orgânicos está localizada entre

4000 e 400 cm

-1

. Há também uma região de 14290-4000 cm

-1

, chamada de infravermelho

próximo e outra em 700-200 cm

-1

, denominada infravermelho distante.

A interação da radiação infravermelha com uma molécula envolve a interação de um

componente oscilante do campo elétrico da radiação com o momento dipolo oscilante da

molécula. Assim, para as moléculas absorverem radiação infravermelha como energia de

excitação vibracional é necessário haver mudança em seu momento de dipolo, e quando há

esta modificação, os compostos absorvem energia em certas regiões do espectro. As

moléculas diatômicas homonucleares não apresentam mudança em seu momento dipolo,

conseqüentemente não possuem absorção no infravermelho (SILVERSTEIN, 2000).

A absorção de radiação infravermelha pela molécula resulta em movimentos

rotacionais e vibracionais dos grupos moleculares e de suas ligações químicas. As vibrações

podem ocorrer tanto na forma de estiramento, na qual os átomos permanecem no mesmo eixo

de ligação, variando-se o comprimento da ligação, como também na forma de deformação

angular, onde as posições dos átomos mudam em relação ao eixo de ligação original

(SILVERSTEIN, 2000).

A espectroscopia vibracional na região do infravermelho é muito utilizada para

identificar grupos funcionais presentes em compostos orgânicos, sendo de grande importância

na avaliação da taxa de degradação de compostos de lodo de esgoto (GRUBE et al., 2006) e

também na caracterização das substâncias húmicas presentes no solo (STEVENSON, 1994).

As informações obtidas na identificação de grupos funcionais como hidroxílicos, carboxílicos,

carboxilatos, alifáticos, amínicos, entre outros, auxiliam a descrever a natureza dos AH das

mais diferentes origens. Na Tabela 2.2 são apresentadas algumas bandas típicas das

substâncias húmicas.

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 19

TABELA 2.2 – Bandas no infravermelho do ácido húmico descritas por NIEMEYER et al., (1992)

Região (cm

-1

) Origem

3380

Estiramento OH do grupo fenólico (contribuição de OH alifático, H

O e

possivelmente NH)

3030 Estiramento CH aromático

2930 Estiramento CH assimétrico

2840 Estiramento CH simétrico

2600 Estiramento OH de H-ligado a –COOH

1720 Estiramento –C=O de –COOH

1610 Estiramento C=C aromático e/ou estiramento –COO

assimétrico

1520-1525

Estiramento C=C aromático, deformação N–H e estiramento C=N de amidas

1450 Deformação –CH de –CH

e dobramento –CH de –CH

1350 Estiramento –COO simétrico e/ou dobramento –CH de alifáticos

1270 Estiramento –C-O de fenólico

1225 Estiramento –C-O e deformação OH de –COOH

1170 Estiramento –C-OH de alifáticos OH

1050 e 1040

Estiramento C–O de polissacarídeos ou derivados de polissacarídeos e Si–O de

impurezas silicatadas

830 Vibração CH fora do plano. Impurezas argilosas

775 Vibração CH fora do plano

A espectrometria com transformações de Fourier (FTIR), que se desenvolveu muito

nos últimos anos, tem várias vantagens sobre os instrumentos de dispersão. Como não se

usam monocromadores, a totalidade da faixa de radiação passa simultaneamente pela amostra

com enorme ganho de tempo. Isto permite resoluções extremamente altas (≤ 0,001 cm

-1

Além disto, o resultado de várias varreduras é combinado para diminuir os ruídos, gerando

espectros com excelentes relação sinal/ ruído com relativamente pouca amostra

(SILVERSTEIN, 2000).

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 20

2.9.2. – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)

A RPE refere-se à absorção de energia de elétrons desemparelhados de um átomo,

molécula ou íon quando estes se encontram sujeitos à aplicação de um campo magnético.

Assim, a condição necessária para se utilizar essa técnica é que o sistema em estudo apresente

ao menos um elétron desemparelhado (WEIL et al., 1994).

O fenômeno de RPE é baseado no efeito Zeeman eletrônico, ou seja, na capacidade de

desdobrar o estado de energia do nível de spin, o que é obtido por meio da aplicação de

campo magnético. Em seguida, com a aplicação de uma radiação eletromagnética, é possível

gerar transição dos elétrons em diferentes estados de spin de menor energia para o estado

excitado. No retorno ao estado fundamental, essa energia é devolvida ao meio e pode ser

detectada. No caso do spin eletrônico, o estado de menor energia é m

= -½ e o estado

excitado é m

= +½, conforme ilustrado na Figura 2.7, a qual ilustra o fenômeno de RPE.

FIGURA 2.7 – A. Esquema simplificado do fenômeno de RPE, mostrando o efeito Zeeman para um sistema com

I = ½; B. característica do espectro de absorção; e C. a primeira derivada do espectro de absorção, a qual é

normalmente detectada nos espectrômetros de RPE, indicando os parâmetros: fator g, largura de linha do sinal

(∆H) e intensidade do sinal (I)

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 21

As SH possuem radicais livres produzidos por grupos semiquinonas, formados pela

deidrogenação oxidativa de compostos fenólicos (Figura 2.8), os quais são observáveis pela

RPE (Figura 2.9).

FIGURA 2.8 – Esquema da estabilização do radical livre do tipo semiquinona (SENESI e SCHNITZER, 1977)

A técnica de RPE tem sido muito usada em estudos à cerca do grau de humificação

das SH (RIFFALDI e SCHNITZER, 1972; SENESI e SCHNITZER, 1977; MARTIN-NETO

et al., 1991; MARTIN-NETO et al., 1994a). O grau de humificação está associado à

estabilidade e complexidade das moléculas de SH, o que significa que cadeias maiores, com

maior conteúdo de grupos aromáticos apresentarão maior grau de humificação. Assim, a RPE

tem se mostrado útil na caracterização da matéria orgânica de solos submetidos a diferentes

formas de manejo (GONZÁLEZ-PÉREZ et al., 2004), sendo possível observar a diminuição

do grau de humificação da matéria orgânica natural do solo quando são tratados com resíduos

orgânicos (SANTOS, 2006).

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 22

FIGURA 2.9 – Espectro típico de RPE de ácido húmico mostrando o sinal do radical livre do tipo semiquinona

A técnica de RPE possibilita também informações estruturais sobre a complexação dos

íons metálicos paramagnéticos, grande parte micronutrientes (Fe, Cu, Cr, Mn, Mo) com as

substâncias húmicas (MARTIN-NETO et al., 1991). Resultados obtidos por OLENDZIK

(2006) mostraram que os íons Fe

estão ligados a MOS através de grupos oxigenados,

enquanto que os íons Mn

, observados na fração humina formavam complexos de esfera

externa com ela.

2.9.3 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

As técnicas de RMN fundamentam-se na absorção seletiva de radiofreqüências por

núcleos presentes em amostras colocadas em um campo magnético. Os núcleos assim

excitados, apenas de forma muito tênue devido à pequena diferença de energia entre os

estados energéticos, regressam ao estado fundamental emitindo energia radiante no domínio

temporal, que após transformação matemática (aplicação de uma transformada de Fourier)

apresentam variações no domínio das freqüências. A determinação precisa dos valores destas

radiofreqüências específicas emitidas, que variam dependendo do campo magnético sentido

pelos núcleos, e a velocidade de regresso ao estado fundamental (relaxação) constituem a

essência das técnicas de RMN, permitindo não só a elucidação estrutural como também

estudos da dinâmica molecular.

A absorção é função de determinados núcleos da molécula. Núcleos que possuem um

número de spin, I, igual a ½ (por exemplo,

P) apresentam uma

distribuição de carga esférica e uniforme, o que facilita a obtenção dos espectros de RMN.

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 23

Segundo a mecânica quântica, o número de spin I, determina o número de orientações

diferentes que um núcleo pode assumir quando colocado em um campo magnético uniforme,

de acordo com a fórmula 2I + 1. Na Figura 2.10 estão apresentados dois níveis de energia,

com um pequeno excesso de população dos núcleos (com I = ½) no estado de energia mais

baixa (N

> N

) de acordo com a distribuição de Boltzmann. Os estados são identificados

como ½ e -½ (SILVERSTEIN, 2000; ATKINS, 2004).

O fenômeno da RMN ocorre quando se coloca a amostra em um campo magnético B

e os núcleos com I > 0 se orientam na direção de campo gerando 2I + 1 níveis de energia

(Figura 2.10), a qual é representada pela equação

onde h é a constante de Planck e γ é a razão giromagnética. Esse desdobramento em

níveis de energia é o efeito Zeeman. A diferença de energia entre os dois níveis é dada por

onde ω é denominada freqüência de Larmor e é igual a -γB

. A espectroscopia de

RMN consiste, então, em detectar a freqüência (ω = 2πν) em que ocorre a transição entre os

dois níveis de energia.

FIGURA 2.10 – Dois níveis de energia dos hidrogênios, como descritos pela mecânica quântica, em um campo

magnético de magnitude B

. N é a população. A direção do campo magnético (↑↑↑) está para cima, paralelo à

ordenada, e B

aumenta para a direita

Spin = +½

Spin = -½

I = ½

2π

E = h

∆E = hυ = h

2π

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 24

A RMN tornou-se relevante na identificação de compostos orgânicos, uma vez que

grupos de um dado núcleo ocupando posições diferentes numa molécula podem ser

distinguidos em regiões diferentes do espectro, possibilitando dessa forma estudos à cerca da

estrutura molecular em função, principalmente, dos núcleos de

H e de

C. O núcleo de

não é magneticamente “ativo” (o número de spin I, é igual a zero). O núcleo de

C, porém,

tem como o núcleo de

H, número de spin igual a ½. Como, entretanto a abundância natural

C é só 1,1 % da de

C e sua sensibilidade apenas 1,6 % da do hidrogênio, a sensibilidade

total do núcleo de

C, em comparação com

H, é cerca de 1/5700 (ATKINS, 2004).

Em virtude da baixa abundância natural do isótopo

C, a atividade na espectroscopia

de RMN de

C somente desenvolveu-se, efetivamente, a partir do começo dos anos 1970

(vinte anos após o rápido desenvolvimento da espectroscopia de

H) quando foi introduzida a

técnica pulsada com transformada de Fourier, a qual possibilitou a irradiação simultânea de

todos os núcleos de

C. A medida espectroscópica de RMN de

C, pode ocorrer tanto com

amostras na forma líquida quanto na sólida (SILVERSTEIN, 2000).

Na espectroscopia de RMN de

C com amostras no estado líquido, elas são

usualmente dissolvidas em solventes deuterados e o sinal de

C do tetrametilsilano (TMS) é

usado como referência interna. Os deslocamentos químicos observados vão até cerca de 240

ppm a partir do TMS, uma faixa aproximadamente 20 vezes maior do que a dos espectros de

H comuns (~12 ppm). Em conseqüência desta larga faixa e de os sinais desacoplados serem

agudos, as impurezas são facilmente detectadas e espectros de misturas podem ser analisados

(SILVERSTEIN, 2000).

Para aplicação RMN de

C aos sólidos, a principal dificuldade encontrada reside na

baixa resolução características das amostras sólidas. Para obter um espectro com melhor

resolução, problemas como o alargamento de linha devido tanto às interações dipolares

heteronucleares (

H) como à anisotropia do deslocamento químico, e a baixa

sensibilidade devido aos longos tempos de relaxação spin-rede dos núcleos de

C devem ser

resolvidos. No estado liquido estas interações anisotrópicas estão presentes, mas são

eliminadas pelo rápido movimento isotrópico das moléculas. Com o desenvolvimento de

técnicas novas e sofisticadas tais como: desacoplamento de alta potência, técnica de rotação

segundo o ângulo mágico (MAS, do inglês Magic Angle Spinning) e polarização cruzada (CP,

do inglês Cross Polarisation) estas limitações da RMN no estado sólido têm sido melhoradas

(ATKINS, P. e PAULA, J. 2004).

Utilizando o desacoplamento de alta potência é possível eliminar o alargamento das

linhas no espectro RMN de

C provocado principalmente pelas interações dipolares entre os

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 25

núcleos de

C e

H. Estas interações surgem devido à influência dos hidrogênios que são

abundantes e originam um campo local sob os núcleos de

C. O desacoplamento é feito

através da redução do momento magnético dos núcleos de

H que são abundantes, pela

aplicação de sua radiofreqüência de ressonância, que mantém o momento dipolo magnético

em alta rotação.

A técnica de MAS elimina os vestígios da interação dipolar

C –

H e minimiza os

efeitos da anisotropia sobre o deslocamento químico através da rotação da amostra segundo o

ângulo de 54,74º , denominado ângulo mágico, em relação ao campo aplicado (Figura 2.11).

A CP permite aumentar a sensibilidade dos núcleos de

C e reduzir os longos tempos

de relaxação spin-rede, mediante transferência da magnetização de spins de núcleos

abundantes como

H para os spins de núcleos pouco abundantes como os de

C, contribuindo

também para o aumento da resolução pelo incremento de magnetização total.

FIGURA 2.11 – Na rotação no ângulo mágico, a amostra gira fazendo um ângulo de 54,74º com a direção do

campo magnético (B

) aplicado. O movimento rápido sobre este ângulo promedia em zero as interações dipolo-

dipolo e as anisotropias do deslocamento químico (ATKINS, P. e PAULA, J. 2004)

Através da RMN de

C podem-se identificar as diferentes vizinhanças dos respectivos

núcleos, frente a um campo magnético aplicado e, que possibilitam caracterizar a estrutura das

SH. No entanto, os espectros característicos das SH (Figura 2.12) apresentam bandas largas e

sobreposição, o que impede uma atribuição exata. Porém, existe a possibilidade de se obter

informação semiquantitativa mediante a integração dos picos largos e a associação com

grupos funcionais característicos das SH. As principais regiões do espectro semiquantificadas

por RMN de

C no estado sólido em AH, mostrados na Figura 2.12, são pertinentes aos

grupos alifáticos (0-45 ppm), N-alifáticos e metoxílicos (45-60 ppm), O-alifáticos (60-110

ppm), aromáticos (110-140 ppm), O-aromáticos (140-160 ppm), carboxílicos (160-185 ppm)

e carbonílicos (185-230 ppm).

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 26

FIGURA 2.12 – Espectro RMN de

C típico de AH mostrando os grupos funcionais associados às bandas

correspondentes (SKJEMSTAD et al., 1998)

2.9.4 – Espectroscopia de Fluorescência em Solução

Luminescência é a emissão de luz por uma substância quando submetida a algum tipo

de estímulo. A luminescência é formalmente dividida em duas categorias, fluorescência e

fosforescência, dependendo da natureza do estado excitado. O processo de luminescência de

uma molécula está diretamente relacionado com os processos de absorção e dissipação de

energia da mesma. A energia absorvida é dependente da diferença de energia entre o estado

fundamental e o estado excitado (LAKOWICZ, 2004).

Quando a energia absorvida pela molécula não é suficiente para sua ionização ou

dissociação, ela permanecerá no estado excitado por um determinado tempo, chamado tempo

de vida do estado excitado. Logo em seguida, ela emite energia na forma de calor e/ ou luz.

Essa luz emitida por esse processo é o que chamamos de luminescência. Dependendo do

tempo de vida do estado excitado o processo é denominado fluorescência ou fosforescência

(Figura 2.13). Estados excitados com tempos de vida curtos (10

-7

-10

-9

s), no qual envolvem

transições singleto-singleto, levam a processos chamados de fluorescentes. Os processos

denominados fosforescentes requerem um estado intermediário tripleto, devido a reversão do

spin entre o estado fundamental e o excitado, o qual retarda a emissão levando a estados

excitados com tempo de vida longo (> 10

-6

s) (LAKOWICZ, 2004).

No estado excitado singleto, o elétron excitado está emparelhado ao elétron que

permaneceu no estado fundamental. Dessa forma, o spin retorna ao estado fundamental com a

emissão de um fóton. Esse processo de transição eletrônica possui um tempo característico

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 27

próximo a 10 ns (10 x 10

-9

s) sendo denominado fluorescência. Para que ocorra determinada

transição, a energia absorvida deve ser equivalente à diferença entre o estado eletrônico inicial

e o excitado. Este valor representa o λ de excitação e é característico de uma estrutura

molecular em particular. No retorno ao estado fundamental, o elétron emite energia que pode

manifestar-se em forma de calor ou emissão de fótons com um λ específico, chamado λ de

emissão, logo a energia emitida é menor que a absorvida por causa das perdas na forma de

calor ou vibrações moleculares (LAKOWICZ, 2004).

FIGURA 2.13 – Níveis vibracionais e eletrônicos de uma molécula orgânica, e caminhos de decaimento

radiativos e não radiativos (NARIMOTO, 2006)

Na fluorescência, transições típicas envolvem a promoção de elétrons não ligantes (n)

ou ligantes (π) para orbitais antiligantes π*. Esses são altamente prováveis em compostos

denominados fluoróforos, os quais são sistemas moleculares contendo átomos com pares de

elétrons não compartilhados, tais como, oxigênio e nitrogênio e em estruturas aromáticas e/ ou

alifáticas conjugadas de insaturações com alto grau de ressonância, isto é, deslocalização

eletrônica, como é observado para as SH do solo (SENESI et al., 1991).

Não existe uma definição clara com respeito à composição química e estrutural da

MO presente no solo. Sabe se, por exemplo, que os principais constituintes desse material são

as SH. Porém, a estrutura química dessas substâncias ainda é indefinida, pois existem grandes

variações com relação a sua composição elementar, massa molecular, e concentração e tipos

de grupos funcionais.

Absorção

Fluorescência

Decaimento

não radioativo

Decaimento

não radioativo

Fosforescência

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 28

O uso da fluorescência nos estudos das SH está apoiado pela presença de várias

estruturas fluorescentes intrínsecas à molécula húmica e seus precursores, particularmente

aromáticos, fenóis e grupos quinona (SENESI et al., 1991). Estruturas fluorescentes nativas

ou incorporadas às SH constituem apenas uma pequena porção da macromolécula húmica,

entretanto, sua variedade e a dependência de suas propriedades do meio de origem, permitem

a obtenção de informações sobre seu comportamento fluorescente e sobre a natureza química

da SH (SENESI e LOFFREDO, 1999). O comportamento fluorescente médio da molécula é o

resultado da soma de todos os espectros individuais dos diferentes fluoróforos da molécula.

A espectroscopia de fluorescência tem sido usada para avaliar o índice de humificação

da matéria orgânica do solo (ZSOLNAY et al., 1999; KALBITZ et al., 2000; OHNO, 2002;

ZOLNAY, 2002; MILORI et al., 2002; CARVALHO et al., 2004). Para tal, têm sido

propostas metodologias utilizando modalidades de emissão e de varredura sincronizada.

2.9.4.1 – Modalidade de Emissão

Em um espectro de emissão costuma-se definir um comprimento de onda específico

para excitação das moléculas da amostra. O comprimento de onda da radiação incidente é

definido a partir do espectro de absorção da amostra, sendo aquele no qual houve maior

intensidade de radiação absorvida. Mantendo-se fixo o comprimento de onda de excitação é

possível obter os comprimentos de onda e as intensidades das emissões provenientes da

relaxação dos componentes da amostra.

ZSOLNAY et al., (1999) propuseram uma metodologia para avaliar o índice de

humificação da matéria orgânica do solo, utilizando um espectro de emissão de fluorescência

com excitação em 240 nm. O índice de humificação, foi avaliado com base na área do

espectro, a qual foi dividida em quatro partes. Dividindo-se a quarta parte do espectro pela

primeira, obteve-se o índice, denominado A

. Os autores utilizaram essa relação a despeito

de que moléculas mais aromáticas fluorescem em comprimentos de onda maiores do que

moléculas com estruturas mais alifáticas, as quais necessitam de maior energia para

fluorescer. Dessa forma, a razão entre essas duas áreas é um indicativo de quão humificada

(maior aromaticidade) está a MOS. Um espectro de fluorescência de emissão de uma solução

de AH, segundo a metodologia de ZSOLNAY et al., (1999), é apresentado na Figura 2.14.

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 29

FIGURA 2.14 – Espectro de emissão de fluorescência de AH extraídos de solo tratado com lodo de esgoto,

obtido segundo metodologia de ZSOLNAY et al., (1999). Comprimento de onda de excitação λ

exc

= 240 nm

(NARIMOTO, 2006)

MILORI et al., (2002) propuseram utilizar como índice de humificação a área do

espectro de emissão medido com o maior comprimento de onda correspondente ao máximo de

intensidade de fluorescência obtido no espectro de excitação. Esta seria uma medida relativa

à quantidade de compostos mais condensados e mais aromáticos. Denominou-se A

465

o índice

de humificação determinado segundo MILORI et al., (2002), que neste caso é igual a integral

da região total do espectro de emissão (Figura 2.15) da amostra com comprimento de onda de

excitação λ

exc

= 465 nm.

300 350 400 450 500 550 600 650 700

100

150

200

250

300

350

400

450

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 30

FIGURA 2.15 – Espectro de emissão de fluorescência de AH extraídos de solo tratado com lodo de esgoto,

obtido segundo metodologia de MILORI et al., (2002). Comprimento de onda de excitação λ

exc

= 465 nm

(NARIMOTO, 2006)

2.9.4.2 – Modalidade Sincronizada

O espectro de varredura sincronizada é obtido monitorando-se os comprimentos de

onda de excitação e emissão de forma sincronizada com um intervalo constante entre ambos,

onde ∆λ = λ

- λ

exc

. Ao utilizar a modalidade de emissão síncrona para estudar amostras

contendo uma grande variedade de compostos orgânicos, tais como as SH, aumentam-se as

chances de ocorrência de sobreposição de picos, podendo gerar distorções no sinal de

fluorescência. No entanto, a resolução de um espectro de fluorescência pode ser comprimida

ou expandida conforme diminui-se ou aumenta-se o valor de ∆λ (VO-DINH, 1978).

KALBITZ et al., (2000) sugeriram um valor de ∆λ = 55 nm para avaliar o índice de

humificação da matéria orgânica do solo. Nesta metodologia, os espectros de fluorescência

sincronizados das SH apresentam dois picos em torno de 360 e 400 nm e um ombro próximo

a 470 nm. Esse perfil muda dependendo do índice de humificação da matéria orgânica,

podendo ser avaliado medindo-se a razão entre a intensidade de fluorescência em 400 e 360

nm ou em 470 e 360 nm. A Figura 2.16 mostra um espectro de fluorescência sincronizada

obtido para uma solução de ácido húmico extraído de solo tratado com lodo de esgoto.

460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660

100

150

200

250

300

350

400

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 31

FIGURA 2.16 – Espectro de varredura sincronizada de AH extraídos de solo tratado com lodo de esgoto, obtido

segundo metodologia de KALBITZ et al., (2000). ∆λ = 55 nm (NARIMOTO, 2006)

2.9.5 – Espectroscopia de Fluorescência Induzida por Laser (FIL)

O princípio básico da FIL é o mesmo exposto para fluorescência na sessão anterior. A

diferença consiste apenas no fato da excitação do material fluorescente ser feita através de um

laser. O uso do laser apresenta vantagens como a intensidade de luz mais alta num

comprimento de onda de excitação específico produzindo assim melhor relação sinal-ruído

quando comparada à fluorescência induzida por lâmpada, e maior seletividade na excitação

tendo portanto, menos fatores de interferência no sinal da fluorescência.

Na Figura 2.17 tem-se um esquema básico da montagem experimental para realizar

análises de FIL em amostras opacas usando um laser de argônio (Ar) como fonte de

excitação. O prisma na saída do laser possibilita a separação da emissão laser da fluorescência

de fundo do gás, permitindo uma excitação “limpa” da amostra. A lente coleta o sinal de

fluorescência e focaliza sobre a fenda do monocromador. O filtro elimina a excitação

espalhada pela superfície da amostra. O chopper serve para modular a luz numa freqüência

definida que serve de referência para o amplificador lock-in. Um sistema de aquisição

controla o passo do monocromador e a leitura do sinal do lock-in gerando o espectro de

emissão da amostra.

300 350 400 450 500 550

100

150

200

250

300

350

400

450

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 32

FIGURA 2.17 – Montagem experimental para realização de análises de fluorescência induzida por laser

(NARIMOTO, 2006)

A espectroscopia de fluorescência induzida por laser tem se mostrado eficiente na

análise da matéria orgânica de solos, fornecendo resultados satisfatórios de forma ágil, limpa

e em condições próximas das naturais, visto que as amostras de solo não precisam ser

submetidas a um tratamento prévio, como necessário em outras técnicas tais como RMN e

RPE entre outras (MILORI et al., 2003; MILORI et al., 2004; MILORI et al., 2006). Para a

análise de FIL são utilizadas pastilhas de solo (aproximadamente 1 cm de diâmetro e 2 mm de

espessura) prensadas em molde de aço, como apresentado na Figura 2.18A.

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 33

FIGURA 2.18 – A. Pastilhas de solo usadas para obtenção dos espectros. B. laser incidindo sobre uma pastilha

de solo

A fluorescência do solo tem origem na MO, pois essa possui grupos funcionais ricos

em ligações insaturadas contidas em sistemas rígidos. Esses grupos, denominados fluoróforos,

estão presentes principalmente na MO mais humificada, tais como OH fenólicos livres e

ligados, estruturas de quinona, grupos carboxílicos ligados e anéis aromáticos.

Utilizando a FIL, MILORI et al., (2004) propuseram para obtenção do índice de

humificação, a razão entre o valor da área sob a curva de fluorescência (ACF) com excitação

em 458 nm e a porcentagem de carbono orgânico total (COT) presente na amostra de solo,

FIL

= ACF/COT

a qual visa normalizar a relação entre intensidade de emissão e a concentração de

grupamentos fluoróforos presentes na matéria orgânica da amostra.

2.10 – Espectrometria de Emissão Ótica com Plasma Acoplado

Indutivamente (ICP OES)

A espectrometria de emissão ótica com plasma acoplado indutivamente (ICP OES) é

uma técnica analítica que pode ser usada para determinação de elementos em níveis de traços,

baseada nos espectros de emissão dos mesmos (VANDECASTEELE e BLOCK, 1993).

A. B.

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 34

O princípio fundamental da emissão atômica envolve a medida da intensidade da

radiação eletromagnética na forma de luz emitida por átomos excitados e ou ionizados (ou

também por moléculas). Nesse caso, átomos são excitados e/ ou ionizados e ao retornar ao

estado fundamental emitem radiação em comprimento de onda específico.

A espectrometria óptica de emissão utiliza esse fenômeno para a determinação

quantitativa de elementos (metais e alguns não metais) em uma ampla variedade de amostras

(águas, materiais biológicos, clínicas, ambientais, alimentos, geológicos) IDE &

NAKAMURA, 2002, TREVIZAN et al., 2003. A amostra pode ser introduzida no plasma nas

formas gasosa, líquida ou suspensão. Quando a amostra é introduzida na forma líquida ou de

suspensão, geralmente usa-se o princípio de nebulização pneumática.

No nebulizador, ou na saída desse, um gás em alta vazão carrega a amostra para a

câmara de nebulização onde as pequenas gotículas (aerossol) formadas são arrastadas e

passam através do plasma, onde ocorrem os processos de secagem, atomização, excitação e

ionização dos átomos.

O plasma é uma mistura gasosa condutora de eletricidade, parcialmente ionizado que,

dependendo da fonte de radiofreqüência empregada, pode atingir temperaturas da ordem de

6000 a 11000 ºC, sendo esses valores de temperatura elevados, os responsáveis pelos

processos de atomização, excitação e ionização citados anteriormente.

A radiação na forma de luz emitida pelos átomos ou íons no plasma é direcionada para

o sistema óptico do equipamento onde será separada nos comprimentos de onda específicos

que são detectados e quantificados.

Esse método tem sido bastante atrativo ao possibilitar análises multielementares em

uma ampla faixa de concentração em uma mesma amostra. A alta temperatura e atmosfera

inerte do gás argônio, usado no plasma, diminuem as interferências químicas da matriz,

resultando em boa sensibilidade e com baixos limites de detecção (SANTOS, 1999).

2.11 – Composição Elementar

A determinação percentual dos elementos carbono, hidrogênio, nitrogênio e enxofre

em compostos orgânicos e organometálicos é uma das aplicações quantitativas mais

importantes da cromatografia com fase gasosa. Usualmente, as amostras (1,0 mg) são pesadas

em recipientes de estanho e introduzidas automaticamente em um tubo vertical de quartzo

mantido a 1030

C, pelo qual passa uma corrente constante de hélio. Quando a amostra

Capítulo 2 – Revisão de Literatura 35

penetra no tubo, a corrente de hélio é enriquecida temporariamente por oxigênio e ocorre

combustão rápida da amostra. A mistura de gases obtida passa sobre Cr

para que a

combustão seja quantitativa e sobre cobre, em 650

C, para remover o excesso de oxigênio e

reduzir os óxidos de nitrogênio a N

. A mistura de gases passa, finalmente, por uma coluna

cromatográfica mantida a 100

C aproximadamente. Os diversos componentes (N

, CO

O) são separados e eluídos até um detector de condutividade térmica.

A análise elementar é muito utilizada na tentativa de identificar alterações na

composição de SH extraídas de solos sob diferentes tratamentos e manejos, incluindo adição

de lodo de esgoto tratado (SENESI et al., 1989; NARIMOTO, 2006; SANTOS, 2006).

Valores elevados da razão atômica H/C sugerem estruturas mais alifáticas, enquanto que

valores baixos podem ser devidos a estruturas mais aromáticas.

A partir dos valores de composição elementar é possível calcular a razão atômica

C/N, a qual indica o grau de incorporação do nitrogênio na estrutura húmica, o estado de

humificação da MOS, e também tem sido utilizada para verificar a taxa de degradação de

resíduos orgânicos no solo e em compostos orgânicos produzidos a partir de resíduos vegetais

(DA SILVA et al., 2004).

O processo de degradação de resíduos orgânicos no solo é acompanhado pela

conversão de C e N em tecido microbiano. Neste processo, parte do carbono é liberada como

. O teor de N em resíduos orgânicos, refletido pela razão C/N, é de grande importância na

magnitude de dois processos opostos: mineralização e imobilização. Resíduos com razão C/N

superiores a 30 resultam em baixas reservas de N mineral, devido à imobilização por

microrganismos. Por outro lado, resíduos com razão C/N inferiores a 20 possibilitam um

aumento no nível de N mineral através de sua mineralização (STEVENSON, 1986).

–

O objetivo deste trabalho foi de analisar a composição do efluente gerado pela fossa

séptica biodigestora e sua ação fertilizante no solo, visando:

- compreender melhor a variabilidade da composição do efluente gerado em diversos

locais e períodos do ano;

- compreender de forma mais precisa os processos de transformação da matéria

orgânica, assim como a sua composição final;

- avaliar a influência do inoculante (bovino e ovino) nas características do efluente e;

- avaliar o impacto gerado na matéria orgânica e a disponibilidade de nutrientes para

as plantas após a aplicação do efluente no solo.

Capítulo 4 – Material e Método 37

–

Nesse trabalho analisaram-se amostras de material proveniente das três caixas do

sistema da fossa séptica biodigestora; amostras de solo adubados com efluente, com adubação

mineral e solos de mata. Foram também analisados os ácidos húmicos extraídos do solo.

4.1 – Parte 1: Amostras de Efluente

4.1.1 – Amostragem e Preparo do Material da Fossa Séptica Biodigestora

O efluente analisado neste trabalho foi coletado em três sistemas da Fossa Séptica

Biodigestora, instalados no Sítio Aparecida, na Fazenda Morro Verde e na Fazenda Santa

Cândida.

O Sítio Aparecida é uma pequena propriedade rural, localizada na cidade de São

Carlos-SP, na qual desenvolvem-se atividades agrícolas familiares como cultivo de laranjas, e

também pecuárias como a criação de gado bovino. Neste Sítio, em 2001, foi instalado o

sistema da Fossa em substituição à fossa “negra”. O sistema, mostrado na Figura 4.1 é

composto por três caixas de mil litros, as quais são adequadas para promover o tratamento do

esgoto doméstico dos habitantes do sítio. Neste sistema é usado esterco bovino como

inoculante.

FIGURA 4.1 – Sistema da fossa séptica biodigestora instalado no Sítio Aparecida – São Carlos/SP

Capítulo 4 – Material e Método 38

A Fazenda Morro Verde localiza-se na cidade de Itirapina-SP. Nesta Fazenda, em abril

de 2005, foi instalado no local um sistema da Fossa (Figura 4.2), de caráter experimental, no

qual substitui-se o esterco bovino usado como inoculante, por esterco ovino, visando avaliar e

comparar a eficiência do processo de desinfecção. Esse experimento foi feito no intuito de

atender as necessidades de tratamento de esgoto em propriedades rurais que não possuem

criação de gado bovino, como freqüentemente, encontradas na região nordeste.

FIGURA 4.2 – Sistema da fossa séptica biodigestora instalado na Fazenda Morro Verde – Itirapina/SP

Na Fazenda Santa Cândida, pertencente a Sobloco Construtora S.A., foi instalado um

sistema da Fossa Séptica Biodigestora em 2003. O sistema foi redimensionado para promover

o tratamento do esgoto gerado por quatro famílias (Figura 4.3), sendo utilizadas quatro caixas

de cinco mil litros cada, ao invés de três caixas de mil litros, a qual é apropriada para uma

família de no máximo cinco pessoas.

FIGURA 4.3 – Sistema da fossa séptica biodigestora instalado na Fazenda Santa Cândida – São Carlos/SP

Capítulo 4 – Material e Método 39

No sistema instalado na Fazenda Santa Cândida coletou-se somente o material da

caixa 3 para avaliar e comparar suas características com o efluente gerado nos sistemas de

dimensões menores (composto de três caixas de 1000 litros), não sendo feita portanto, a

análise do material presente nas demais caixas deste sistema.

Para os outros dois sistemas (da Fazenda Morro Verde e Sítio Aparecida) foram feitas

três coletas, em outubro de 2005, julho e outubro de 2006. Coletaram-se dois litros do

material de cada caixa (Figura 4.2) para análise da matéria orgânica, um litro para análise de

parâmetros físico-químicos (Tabela 5.1, p. 51) realizada no Laboratório de Saneamento da

Universidade de São Paulo (USP).

As amostras destinadas à análise de matéria orgânica foram congeladas e liofilizadas.

O sólido obtido foi então moído em moinho criogênico e reservado.

As amostras foram nomeadas de acordo com o tipo de esterco usado como inoculante,

com a época de coleta e também com relação as três caixas do sistema da fossa. A Tabela 4.1

apresenta a nomenclatura adotada para as amostras de efluente.

TABELA 4.1 – Nomenclatura adotada para as amostras de efluente

Nomenclatura Data da coleta Inoculante Caixa Local de Coleta

1O1

1O2

1O3

1ª

Outubro/2005

2O1

2O2

2O3

2ª

Julho/2006

3O1

3O2

3O3

3ª

Outubro/2006

Esterco ovino

Itirapina

1B1

1B2

1B3

1ª

Outubro/2005

2B1

2B2

2B3

2ª

Julho/2006

3B1

3B2

3B3

3ª

Outubro/2006

2FSC3*

2ªJulho/2006

Esterco bovino

São Carlos

*Fazenda Santa Cândida

Em julho de 2006 fez-se também uma coleta do lodo de esgoto presente nas três caixas

do sistema. O lodo foi congelado, liofilizado e posteriormente moído em moinho criogênico.

A nomenclatura adotada para as amostras de lodo é descrita na Tabela 4.2.

Capítulo 4 – Material e Método 40

TABELA 4.2 – Nomenclatura adotada para as amostras de lodo de esgoto

Nomenclatura Data da coleta Inoculante Caixa Local de Coleta

L2O1

L2O2

L2O3

Esterco Ovino

Itirapina

L2B1

L2B2

L2B3

L2FSC3*

2ª

Julho/2006

Esterco Bovino

São Carlos

*Fazenda Santa Cândida

4.1.2 – Análises do Efluente

4.1.2.1 – Parâmetros Físico-químicos

Os parâmetros físico-químicos (Tabela 5.1, p.51) foram determinados segundo

metodologias descritas no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater

no Laboratório de Saneamento da USP em São Carlos.

4.1.2.2 – Condutividade e pH

Uma estimativa do teor total de sais em solução é obtida pela medida de sua

condutividade elétrica (CE). A CE do efluente foi obtida após sua filtração. Para tal, calibrou-

se o condutivímetro (Condutivímetro Horiba, modelo ES-12E) com solução de KCl 0,01 mol

-1

, sendo que a condutividade elétrica dessa solução é de 1,41 dS m

-1

a 25

C. Lavou-se a

célula de condutividade três vezes com água e encheu-a com o efluente filtrado. Usou-se um

termostato para manter a temperatura a 25

Foram feitas análises de pH das amostras de efluente filtrado, utilizando eletrodo de

vidro combinado.

4.1.2.3 – Análise Elementar e Teor de Cinzas

Foram feitas as análises químicas de C, N e H das amostras do sólido obtido após

liofilização do efluente, usando equipamento Fisons - Modelo: EA1108/CHNS-O pertencente

ao Departamento de Química da Universidade Federal de São Carlos. O oxigênio foi obtido

por diferença %O = 100 - (%C + %N + %H + %S + %Cinzas).

Capítulo 4 – Material e Método 41

O cálculo da razão C/N e H/C foi efetuado a partir dos percentuais de C, N e H

divididos pelas suas respectivas massas atômicas.

Para a determinação de cinzas, aproximadamente 20 mg de amostras de efluente

liofilizado foram calcinados durante duas horas a 700

C em cadinho de platina, pré-seco e

pesado. O teor de cinzas foi calculado, após a queima da matéria orgânica, por diferença entre

a massa final do cadinho (cadinho calcinado) e inicial (cadinho tarado).

4.1.2.4 – Determinação de Macro e Micronutrientes no Efluente por Espectrometria de

Emissão Ótica com Plasma Acoplado Indutivamente (ICP OES)

O conteúdo mineral foi obtido através da digestão por via seca de 0,10 g de efluente

liofilizado pesadas em cadinho de porcelana. As amostras foram calcinadas em mufla

elevando-se a temperatura até 550

C, na qual permaneceu por duas horas. Após resfriamento

até a temperatura ambiente, foram adicionados 10 mL de ácido clorídrico concentrado e

aqueceu-se em banho de areia até completa evaporação do ácido. Novamente esperou-se

alcançar a temperatura ambiente. Lavaram-se os cadinhos com 5 mL de HCl 1,0 mol L

-1

, e em

seguida com mais 5 mL de água deionizada, transferindo a solução para tubos plásticos com

tampa. O volume final de extrato foi de 10 mL, em solução ácida 0,05 mol L

-1

. A digestão foi

feita em duplicata. As amostras digeridas foram quantificadas em espectrômetro de emissão

ótica com plasma de argônio induzido marca VARIAN, modelo Vista RL.

4.1.2.5 – Análises Espectroscópicas

4.1.2.5.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

As medidas foram feitas segundo metodologia bem conhecida na literatura

(STEVENSON, 1994) utilizando um espectrofotômetro de FTIR Perkin Elmer, Paragon 1000

PC, da Embrapa Instrumentação Agropecuária . Os espectros de pastilhas das amostras do

efluente liofilizado, preparadas com 1,0 mg de amostra e 100 mg de KBr, foram obtidos a

partir de 64 varreduras, com resolução de 4 cm

-1

, no intervalo de 4000 a 400 cm

-1

. Para

preparar as pastilhas foi utilizada uma pressão de 10 toneladas

4.1.2.5.2 – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)

As medidas de RPE foram feitas segundo metodologia de MARTIN-NETO et al.,

(1991). A potência de microondas utilizada foi de 2,0 mW para o material da fossa liofilizado.

Usou-se amplitude de modulação de 1G

(Gauss pico a pico), freqüência de modulação de

Capítulo 4 – Material e Método 42

100 KHz e 64 varreduras para obtenção dos espectros. Utilizou-se aproximadamente 20 mg

de amostra para efetuar ao experimento, as quais foram inseridas em tubos de quartzo com

diâmetro interno de 3,5 mm.

As medidas do nível de radicais livres do tipo semiquinona foram feitas utilizando-se

método do padrão secundário (CHIEN et al., 1997). A concentração desses radicais (spin g

-1

)

foi obtida através da integral dupla do espectro de RPE, utilizando a aproximação I x ∆H

onde I corresponde a intensidade do sinal e ∆H a largura de linha tomadas pico a pico

(POOLE e FARACH, 1972). Posteriormente comparou-se a um padrão Strong Pitch com

concentração de spins conhecida (3 x 10

spins cm

-1

) fornecido pela Bruker, utilizando rubi

sintético como padrão secundário (SINGER, 1959; MARTIN-NETO et al., 1994a). A

quantidade de radicais livres do tipo semiquinona foi normalizada pela massa de cada

amostra.

Para efetuar as medidas utilizou-se um espectrômetro RPE de onda contínua da

Bruker, modelo EMX de cavidade retangular, banda X (~ 9,0 GHz), pertencente a Embrapa

Instrumentação Agropecuária.

4.1.2.5.2 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear

Fizeram-se medidas de RMN de

C com amostras sólidas, aproximadamente 300 mg

de efluente liofilizado, utilizando-se as técnicas de rotação segundo o ângulo mágico (MAS),

amplitude variável (VA) e polarização cruzada (CP) monitorando os núcleos do isótopo

Foi utilizado um espectrômetro Varian 400 MHz Unity Inova, empregando uma sonda para

amostras sólidas da marca Doty, pertencente a Embrapa Instrumentação Agropecuária. A

freqüência de ressonância foi 100,58 MHz (

C), a banda espectral utilizada para a CP foi de

50 KHz, tempo de contato de 1 ms, tempo de repetição de 500 ms, tempo de aquisição de

0,0128 ms. A janela espectral foi de 0-230 ppm. As amostras foram medidas em rotores de

zircônia de 5 mm, com MAS de 6,4 KHz. A rampa no canal de

H foi de 110-60% (em KHz)

da condição de Hartman-Hahn (NOVOTNY, 2002). Os deslocamentos químicos foram

expressos em ppm em relação ao TMS e referenciados em relação ao hexametilbenzeno.

As porcentagens de alifaticidade e aromaticidade foram calculadas a partir das áreas dos

espectros, segundo STEVENSON (1994):

Alifaticidade (%)= Área dos sinais de C alifático 0-110 ppm x 100%

Área dos sinais de C 0-160 ppm

Capítulo 4 – Material e Método 43

Aromaticidade (%)= Área dos sinais de C aromáticos 110-160 ppm x 100%

Área dos sinais de C 0-160 ppm

4.2 – Parte 2: Amostras de Solo

4.2.1 – Amostragem e Preparo de Solo

O solo utilizado no experimento foi coletado na Fazenda Santa Cândida em São

Carlos. Nesta fazenda, em 2003, foi instalado o sistema da Fossa Séptica Biodigestora para

promover o tratamento do esgoto doméstico gerado pelas famílias locais.

Todo o efluente gerado após o processo de desinfecção é usado como adubo orgânico

em uma plantação de goiaba da Fazenda. O solo analisado é classificado como Latossolo

Vermelho Amarelo fase arenosa. A área de cultivo compreende aproximadamente nove

hectares, os quais recebem aplicação de efluente três vezes ao ano, exceto em uma rua do

goiabal, que é adubada somente com adubo do tipo NPK. Em toda a área cultivada é feita

correção da acidez do solo com calcário.

A coleta foi feita em agosto de 2006. Coletaram-se as amostras na área de projeção da

copa das frutíferas utilizando trado holandês, nas camadas de 0-10, 10-20 e 20-40 cm, de

solos submetidos à adubação mineral do tipo NPK, solos adubados com efluente e de solo de

uma mata nativa próxima ao goiabal. Foram coletadas amostras simples em cinco pontos

diferentes para se obter a amostra composta representativa da área. Os solos foram

acondicionados em bandejas plásticas, e secos à sombra. Em seguida foi realizada a limpeza

manual para retirada das raízes e restos de plantas e posteriormente passado em peneira de 0,5

mm. A nomenclatura adotada para as amostras de solo é descrita na Tabela 4.3.

TABELA 4.3 – Nomenclatura adotada para as amostras de solo

Nomenclatura Descrição

Profundidade

(cm)

CE1 0-10

CE2 10-20

CE4

Solo adubado com efluente

20-40

NPK1 0-10

NPK2 10-20

NPK4

Solo com adubação mineral

– NPK

20-40

M1 0-10

M2 10-20

Solo de mata

20-40

Todas as amostras de solos foram submetidas a um processo de extração e

fracionamento químico das substâncias húmicas por diferença de solubilidade, seguindo a

Capítulo 4 – Material e Método 44

metodologia descrita pela Sociedade Internacional de Substâncias Húmicas (IHSS) descrito

no item 4.3.1. p.47.

4.2.2 – Análises do Solo

4.2.2.1 – Condutividade e pH do Extrato do Solo

Para determinar a condutividade das amostras de solo usou-se um método

desenvolvido pelo Laboratório de Salinidade dos EUA, o qual extrai sais solúveis em água

com base na relação água /solo (VAN RAIJ, 2001).

Para a obtenção dos extratos, adicionou-se 100 cm

de solo seco. Em seguida

adicionou-se água deionizada até o ponto de saturação. Deixou-se em repouso por uma hora.

Utilizando um funil de Buchner, filtrou-se a mistura recolhendo a solução em um frasco

plástico com tampa. O condutivímetro foi calibrado com solução de KCl 0,01 mol L

-1

, sendo

que a condutividade elétrica dessa solução é de 1,41 dS m

-1

a 25

C. Lavou-se a célula de

condutividade três vezes com água e encheu-a com o extrato do solo. Usou-se um termostato

para manter a temperatura a 25

C. As medidas foram feitas em duplicata.

Para a determinação do pH do solo foi misturado 10 cm

de terra fina seca ao ar

(TFSA) com 25 mL de CaCl

0,01 mol L

-1

. As amostras foram agitadas por 15 minutos e

deixadas em repouso durante duas hora. Em seguida, procedeu-se a leitura utilizando um

eletrodo de vidro combinado.

4.2.2.2 – Análise de Macro e Micronutrientes Disponíveis no Solo

A determinação dos nutrientes disponíveis no solo foi feita segundo a metodologia

adotada pelo Instituto Agronômico de Campinas, descrita por VAN RAIJ (2001).

4.2.2.3.1 – Extração de Macronutrientes (Ca, Mg, K, P) com Mistura de Resinas Trocadora de

Íons

a) Preparo de Soluções-padrão

Capítulo 4 – Material e Método 45

Foi preparada uma solução-padrão-estoque de cálcio, magnésio, potássio e fósforo.

Essa solução contém, por litro, 50,0 mmol

de Ca

, 10,0 mmol

de Mg

, 3,0 mmol

de K

40,0 mg de P dissolvidos em solução 0,8 mol L

-1

de NH

Cl e 0,2 mol L

-1

de HCl.

Transferiu-se 0, 1, 2, 3, 4 e 5 mL da solução-estoque para balões volumétricos de 50

mL, identificados, respectivamente, por A, B, C, D, E e F. Completou-se os volumes com

solução de NH

Cl 0,8 mol L

-1

em HCl 0,2 mol L

-1

b) Preparo dos Extratos

Transferiu-se 2,5 cm

de terra para um frasco plástico cônico de 80 mL. Acrescentou-

se 25 mL de água e uma esfera de vidro; tampou-se o frasco e agitou-o durante 15 minutos

para promover a desagregação do solo. Em seguida, retirou-se a esfera de vidro e

adicionaram-se 2,5 cm

de resina, medida com cachimbo provida de fundo de malha de

poliéster. Fechou-se o frasco e agitou-o durante 16 horas, em agitador circular horizontal, a

uma velocidade de 220 rpm. No dia seguinte, abriram-se os frascos e transferiu-se, com um

jato de água, a suspensão de solo e resina para uma peneira com malha de poliéster de 0,4 mm

de abertura. Lavou-se a resina com um mínimo de água possível, até parar de sair argila.

Virou-se a peneira sobre um funil colocado em cima de um frasco plástico, de 100 mL.

Transferiu-se toda a resina da peneira para o frasco, usando exatamente 50 mL de solução de

Cl 0,8 mol L

-1

em HCl 0,2 mol L

-1

. Transferiram-se também os 50 mL das soluções-

padrão A, B, C, D, E e F, para frascos plásticos de 100 mL e adicionou-se 2,5 cm

de mistura

de resinas a cada uma delas (essas soluções foram empregadas na construção da curva de

calibração para cada elemento). Deixaram-se as suspensões em repouso por 30 minutos, para

permitir a evolução do gás carbônico. Em seguida, fecharam-se os frascos e agitou-se por uma

hora, a 220 rpm.

Os extratos foram utilizados para as determinações de cálcio, magnésio, potássio e

fósforo. As quantificações de Ca, Mg foram feitas utilizando Espectrômetro Absorção

Atômica por chama - marca VARIAN, modelo EspectraAA 800; o potássio foi medido em

Fotômetro de Chama , marca Micronal modelo B262 e o fósforo foi quantificado em sistema

FIA com Espectrofotômetro VIS, marca FEMTO , modelo 432, sendo esses equipamentos

pertencentes à Embrapa Pecuária Sudeste-São Carlos.

4.2.2.3.2 – Extração de Micronutrientes (Cu, Fe, Mn, Zn) Usando Solução de DTPA em pH

7,3

Capítulo 4 – Material e Método 46

a) Preparo da Solução Extratora DTPA – ácido dietilenotriaminopentaacético

(DTPA 0,005 mol L

-1

) + trietanolamina (TEA 0,1 mol L

-1

) + cloreto de cálcio (CaCl

.2H

0,01 mol L

-1

), a pH 7,30

Adicionou-se em um Becker aproximadamente 200 mL de água deionizada, 1,96 g de

DTPA e 14,9 mL de trietanolamina; agitou-se até completa dissolução. Em seguida,

adicionou-se 1,47 g de CaCl

.2H

O. Transferiu-se a solução para um balão volumétrico de 1

L e completou-se o volume com água deionizada. Corrigiu-se o pH para 7,30 ± 0,05 com

ácido clorídrico 4,0 mol L

-1

b) Preparo dos Extratos

Mediu-se 20 cm

de solo, com auxílio de um molde tipo cachimbo, em frascos cônicos

de polietileno e adicionou-se 40 mL da solução extratora de DTPA. Os frascos foram

tampados e agitados durante duas horas a 220 rpm. Após a filtragem da suspensão os extratos

estavam prontos para as análises dos metais.

Os micronutrientes (Cu, Fe, Mn, Zn) disponíveis no solo foram quantificados em

espectrômetro de absorção atômica por chama - marca VARIAN, modelo EspectraAA 800,

pertencente a Embrapa Pecuária Sudeste-São Carlos.

4.2.2.3 – Determinação do Carbono Orgânico Total

Para a determinação da porcentagem do carbono orgânico total (COT) presente nos

solos utilizou-se o equipamento Total Organic Carbon Analyzer, modelo TOC-V, marca

Shimadzu, acoplado ao Solid Sample Module SSM-500A, marca Shimadzu, pertencente ao

laboratório de Química Ambiental do Instituto de Química de São Carlos da USP.

4.2.2.4 – Espectroscopia de Fluorescência Induzida por Laser (FIL)

Para as análises de FIL, as amostras de solo foram colocadas em um porta amostra

com janela de quartzo com 1 cm de diâmetro.

A excitação da fluorescência foi feita com um laser de argônio (Coherent – modelo

Innova 90C-458nm – 300 mW), sintonizado na linha de 458 nm com uma potência de 300

mW. A fluorescência das amostras foi coletada por uma lente convergente e focalizada sobre

Capítulo 4 – Material e Método 47

a fenda do monocromador da marca CVI (120 g mm-1 e “blaze” em 500 nm). A detecção é

feita através de uma fotomultiplicadora Hamamatsu com pico de resposta espectral em 530

nm. O sinal da fotomultiplicadora foi amplificado e retificado por um amplificador Lock-in e

em seguida enviado para o sistema de aquisição de dados, controlado por um

microcomputador.

Os espectros foram obtidos com janela espectral de 470-650 nm e resolução igual a

0,5 nm.

As medidas foram feitas em duplicata, utilizando um Instrumento de FIL pertencente à

Embrapa Instrumentação Agropecuária.

4.3 – Parte 3: Amostras de Ácidos Húmicos Extraídos do Solo

4.3.1 – Extração e Fracionamento de Ácidos Húmicos do Solo

As substâncias húmicas (SH) do solo foram extraídas segundo SWIFT et al., (1996),

partindo-se de 200 g de TFSA de amostra, após ter sido passada em peneira de 0,5 mm.

O valor de pH de cada amostra foi ajustado para 1-2 com adição de HCl 1mol L

-1

. O

volume da solução foi ajustado com HCl 0,1 mol L

-1

até atingir uma concentração final com

uma relação de 10 mL de líquido por 1g de TFSA. A solução foi agitada eventualmente

durante uma hora e, após deixar a solução em repouso, separou-se o sobrenadante por

sifonação. O sobrenadante separado que seria utilizado para extração de ácidos fúlvicos (AF),

foi descartado após neutralização.

Ao solo residual foi adicionado NaOH 0,1 mol L

-1

, resultando no final uma relação

solo-solução 1:10. A solução foi agitada durante 4 horas. A seguir, a suspensão ficou em

repouso por 16 horas e o sobrenadante foi isolado através de uma centrifugação (10000 rpm –

10 min) e reservado para posterior acidificação. O material insolúvel, denominado humina,

também foi descartado.

O sobrenadante isolado foi acidificado com HCl 6,0 mol L

-1

, com agitação simultânea

até atingir pH 1,0 e mantido novamente em repouso por 16 horas. Em seguida, a solução foi

centrifugada (10000 rpm – 10 min) para separar o AH (precipitado) e as frações de AF, sendo

que as frações de AF foram descartadas.

A fração de AH foi redissolvida através da adição de um pequeno volume conhecido

de KOH 0,1 mol L

-1

. Adicionou-se 1,5 g KCl sólido, atingindo uma concentração de 0,3 mol

Capítulo 4 – Material e Método 48

-1

]. Após, centrifugou-se a solução sob alta velocidade (15000 rpm – 10 min) para que os

sólidos suspensos fossem removidos.

O AH foi então reprecipitado, adicionando-se HCl 6,0 mol L

-1

com agitação

simultânea até que fosse atingido pH 1,0-1,5, e após, a suspensão foi mantida em repouso por

16 horas. Centrifugou-se a solução (10000 rpm – 10 min) e o sobrenadante foi então

descartado. O precipitado (AH) foi suspenso em solução HCl 0,1 mol L

-1

+ HF 0,3 mol L

-1

num recipiente plástico e agitado durante 16 horas a temperatura ambiente.

A seguir a solução foi centrifugada (10000 rpm – 10 min) e o precipitado foi

transferido para uma membrana de diálise (Spectra/Por 6000 – 8000Da), preparada segundo a

metodologia de MC PHIE (1971), utilizando água deionizada. Procedeu-se a diálise contra

água deionizada até que a água de diálise apresentasse teste negativo de Cl

com nitrato de

prata (AgNO

). Para isso, tal procedimento foi mantido durante aproximadamente cinco dias,

fazendo-se a troca da água deionizada duas vezes por dia.

Após a diálise, as amostras foram congeladas e liofilizadas e o sólido obtido (AH) foi

reservado para posteriores análises.

4.3.2 – Análises dos Ácidos Húmicos

4.3.2.1 – Análise Elementar e Teor de Cinzas

A análise elementar e o teor de cinzas para as amostras de AH foram feitos conforme

descrito no item 4.1.2.3.

4.3.2.2 – Análises Espectroscópicas

4.3.2.2.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

As análises de infravermelho das amostras de AH foram feitas conforme descrito no

item 4.1.2.5.1.

4.3.2.2.2 – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)

As medidas de RPE foram feitas segundo metodologia de MARTIN-NETO et al.

(1991). A potência de microondas utilizada foi de 0,2 mW para as amostras de AH. Usou-se

Capítulo 4 – Material e Método 49

amplitude de modulação de 1G

(Gauss pico a pico), freqüência de modulação de 100 KHz e

16 varreduras para obtenção dos espectros. Utilizou-se aproximadamente 20 mg de amostra

para efetuar ao experimento, as quais foram inseridas em tubos de quartzo com diâmetro

interno de 3,5 mm.

As medidas do nível de radicais livres do tipo semiquinona nos ácidos húmicos foram

feitas utilizando-se método do padrão secundário (CHIEN et al., 1997). A concentração

desses radicais (spin g

-1

) foi obtida através da integral dupla do espectro de RPE, utilizando a

aproximação I x ∆H

, onde I corresponde a intensidade do sinal e ∆H a largura de linha

tomadas pico a pico (POOLE e FARACH, 1972). Posteriormente comparou-se a um padrão

Strong Pitch com concentração de spins conhecida (3 x 10

spins cm

-1

) fornecido pela

Bruker, utilizando rubi sintético como padrão secundário (SINGER, 1959; MARTIN-NETO

et al., 1994). A quantidade de radicais livres do tipo semiquinona foi normalizada pela massa

de cada amostra.

Para efetuar as medidas utilizou-se um espectrômetro RPE de onda contínua da

Bruker, modelo EMX de cavidade retangular, banda X (~ 9,0 GHz), pertencente a Embrapa

Instrumentação Agropecuária.

4.3.2.2.3 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

As análises de RMN de

C das amostras de AH foram feitas conforme descrito no

item 4.1.2.5.2.

4.3.2.2.4 – Espectroscopia de Fluorescência em Solução

Soluções estoque de 200 ppm foram preparadas dissolvendo-se 2,0 mg de AH em 10,0

mL de solução de NaHCO

. Em seguida, a partir destas, foram preparadas soluções de

concentração 20 ppm, sendo que o pH da solução resultante ficou em torno de 8. As amostras

foram colocadas em cubeta de quartzo multifacetada com tampa de teflon e analisadas a

temperatura ambiente utilizando um espectrômetro de luminescência Perkin Elmer LS50B

pertencente a Embrapa Instrumentação Agropecuária. As análises foram feitas em duplicatas.

Os espectros de fluorescência foram adquiridos nos modos de emissão e varredura

sincronizada, segundo as metodologias propostas por ZSOLNAY et al., (1999), MILORI et

al., (2002) e KALBITZ et al., (2000).

Capítulo 4 – Material e Método 50

a) Modalidade de Emissão

Na metodologia proposta por ZSOLNAY et al., (1999), obtiveram-se os espectros de

emissão com excitação em 240 nm, com intervalo de varredura entre 300 e 700 nm e filtro de

290 nm. Para determinar o índice de humificação denominado A

, o espectro foi dividido

em quatro partes. A área sob o maior quarto, entre 570 e 641 nm (A

) foi dividida pela área do

menor quarto, entre 356 e 432 nm (A

Na metodologia proposta por MILORI et al., (2002), foram obtidos os espectros de

emissão com excitação em 465 nm, intervalo de varredura entre 480 e 700 nm e com filtro

aberto. O índice de humificação denominado A

465

foi determinado a partir da integral da

região total dos espectros de emissão das amostras com comprimento de onda de excitação

exc

= 465 nm.

b) Modalidade de Sincronizada

Utilizando a metodologia de KALBITZ et al., (2000), foram obtidos espectros de

varredura sincronizada entre 300 e 520 nm simultaneamente com excitação e emissão com

filtro aberto e diferença de comprimento de onda ∆λ = 55 nm para as amostras de ácidos

húmicos extraídos do solo. A determinação do índice de humificação foi feita a partir da razão

entre as intensidades de fluorescência em 456 e 374 nm.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 51

–

5.1 – Caracterização do Efluente

5.1.1 – Parâmetros Físico-químicos

Na Tabela 5.1 estão listados os dados obtidos para o efluente (caixa 3 do sistema da

fossa), das coletas 2 e 3, feitas em julho/2006 e outubro/2006, respectivamente.

TABELA 5.1 – Parâmetros físico-químicos das amostras de efluente da caixa 3*

Parâmetros 2O3 3O3 2B3 3B3 2FSC3

8,05 8,14 8,67 8,61 7,73

DQO

(mgO

-1

)

638 576 605 528 252

DBO

(mgO

-1

)

411 344 191 316 153

N-NO

(mgN L

-1

)

0,86 2,02 0,66 3,27 3,31

N-NH

(mgN L

-1

)

562 517 517 427 269

N.Total

(mgN L

-1

)

614 672 568 541 287

Fosfato Total

(mgPO

-3

-1

)

32 12 78 7 14

Óleo / Graxa

(mg L

-1

)

44 34 67 28 39

SST

(mg L

-1

)

96 117 134 130 66

SSV

(mg L

-1

)

88 89 122 120 64

SSF

(mg L

-1

)

8 28 12 10 2

Condutividade

(dS cm

-1

)

5,35 4,24 4,63 2,98 2,62

* Amostras: O – Sistema inoculado com esterco ovino, Fazenda Morro Verde; B – Sistema inoculado com

esterco bovino, Sítio Aparecida; FSC – Fazenda Santa Cândida (inoculante esterco bovino); os números iniciais

2, 3 referem-se, respectivamente à ordem das coletas (07/2006 e 10/2006). DQO – Demanda Química de

Oxigênio; DBO

– Demanda Bioquímica de Oxigênio; SST – Sólidos Suspensos Totais; SSV – Sólidos

Suspensos Voláteis; SSF – Sólidos Suspensos Fixos

A Resolução Nº357 do CONAMA de março de 2005 estabelece as condições e

padrões de lançamento de efluente em corpos de água. No entanto, o efluente analisado neste

trabalho é indicado para uso como adubo orgânico sendo, portanto, disposto em solo. Para

efluentes dispostos em solo, a Resolução Nº357 não estabelece valores para tais parâmetros,

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 52

somente faz menção no Artigo 29, de que “A disposição de efluentes no solo, mesmo

tratados, não poderá causar poluição ou contaminação das águas”. Para que o efluente seja

lançado em corpos de água é necessário antes, passar por um filtro de areia para remoção do

material suspenso e também redução da DBO (NOVAES et al., 2002).

Na Tabela 5.1 pode-se observar que o processo de biodigestão ao longo das caixas do

sistema gera efluente, de caráter alcalino, com valores de pH superiores a 7,70.

Os valores para as concentrações de N-NH

(Tabela 5.1) variaram de 269 a 562 mg N

-1

e para os teores de matéria orgânica, representados pela DQO e DBO

, os valores

encontram-se na faixa de 153 a 658 mg O

-1

. Esses resultados são superiores aos obtidos por

METCALF e EDDY (1991) e SOUSA et al. (2001), nos quais efluentes de esgotos tratados

utilizados em irrigação continham concentrações de nitrogênio amoniacal de 56 a 37 mg N-

-1

e de matéria orgânica (428 mg L

-1

de DQO e 155 mg L

-1

de DBO

). No entanto,

segundo SOUSA et al., (1998), quando o solo apresenta certa capacidade de armazenamento

de nitrogênio (presença de matéria orgânica) pode parecer vantajoso utilizar-se, como adubo

orgânico, efluente contendo mais nitrogênio amoniacal que na forma de nitrato, pois as

plantas assimilam nitrogênio nas formas de nitrato e íon amônio. Dessa forma, o uso de

efluente em culturas tem o mesmo efeito do nitrogênio aplicado na forma de fertilizante.

Os teores de sólidos suspensos fixos e suspensos voláteis são um indicativo da fração

mineral e orgânica, respectivamente, presente no efluente. Os valores de SSV apresentaram-se

praticamente constantes entre as amostras de um mesmo inoculante. No entanto, quando se

comparam as amostras inoculadas com esterco ovino e bovino, nota-se que as amostras 2B3 e

3B3 têm concentração de SSV mais alta. Já a concentração de SSF variou de 8 a 28 mg L

-1

. A

amostra 2FSC3 apresentou teores de sólidos bem inferiores aos observados para as demais

amostras, possivelmente devido as maiores dimensões deste sistema, o que favorece a

diluição desses sólidos.

A formação do efluente é influenciada por vários fatores dentre os quais estão a

utilização do esterco (inoculante) recém coletado, sendo que este afeta diretamente o processo

de biodigestão, e a mudança na alimentação humana, observada em especial, em épocas mais

frias do ano, onde há maior tendência de consumir alimentos gordurosos. A influência deste

último pode ser observada nos teores de óleo e graxas provenientes das gorduras e óleos

usados na alimentação. Para as amostras 2O3 e 2B3, coletadas em agosto de 2006, esses

teores são superiores aos das 3O3 e 3B3 coletadas em outubro de 2006. No geral, a análise

dos parâmetros listados na Tabela 5.1 revela uma composição variável do efluente em virtude

dos fatores mencionados.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 53

5.1.2 – Análise Elementar

Os valores obtidos para composição elementar das amostras dos sólidos obtidos após

liofilização do efluente e os respectivos teores de cinzas são apresentados na Tabela 5.2.

TABELA 5.2 – Composição elementar e teor de cinzas em amostras de efluente liofilizado*

Amostras C (%) N (%) H (%) O (%) Cinzas (%)

1O1

17 3 3 52 26

1O2

15 3 3 51 28

1O3

16 2 3 53 26

2O1

17 3 2 29 49

2O2

25 3 4 30 38

2O3

12 3 2 34 49

3O1

12 2 2 30 54

3O2

14 4 2 33 47

3O3

14 3 2 28 53

1B1

21 3 3 54 19

1B2

20 3 3 38 36

1B3

19 3 3 53 22

2B1

14 3 2 34 47

2B2

17 3 2 30 48

2B3

12 2 2 31 53

3B1

13 3 3 32 49

3B2

14 2 3 44 37

3B3

15 2 2 28 53

2FSC3

9 2 1 34 53

*O – inoculado com esterco Ovino; B – inoculado com esterco Bovino; Os números iniciais 1,2 e 3 referem-se,

respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1,

2 e 3 do sistema. Oxigênio determinado por diferença.

A análise elementar proporcionou informações sobre a distribuição dos elementos

químicos principais (C, N, H e O) na matéria orgânica do efluente, na qual não foram

observadas diferenças nas concentrações desses elementos com relação ao inoculante

utilizado.

Os teores de carbono ao longo das três caixas do sistema variaram de 12 a 25 %,

considerando as três coletas analisadas. Os percentuais obtidos para N e H nas amostras foram

bastante similares, encontrando-se na faixa de 2-4 %. Já nos teores de O e cinzas observam-se

variações significativas, conforme pode ser visto na Tabela 5.2. Os valores obtidos por análise

elementar / cinzas variaram aleatoriamente, não sendo observada qualquer tendência ao longo

do processo de biodigestão ou mesmo nas três coletas analisadas.

Na Tabela 5.3 estão apresentadas as razões C/N calculadas a partir dos dados obtidos

por análise elementar. O material apresenta concentração elevada de compostos nitrogenados,

resultando em uma relação C/N baixa. Em virtude disto espera-se que haja uma rápida

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 54

mineralização do N-orgânico do efluente e que o N-efluente faça parte do ciclo do nitrogênio

tão logo ele atinja o solo (FEIGIN et al., 1991). Assim, a relação C/N deste resíduo é

modificada de tal forma a atingir no final a relação C/N da matéria orgânica do solo,

geralmente entre 9-14 (LUCHESE, 2002).

A degradação de resíduos orgânicos no solo é acompanhada pela conversão de C e N

em tecido microbiano. Esta biomassa, juntamente com os resíduos em decomposição,

representa a fase ativa da matéria orgânica do solo e atua diretamente no desenvolvimento das

plantas ao liberar N durante o processo de mineralização.

TABELA 5.3 – Razões atômicas C/N e H/C das amostras de efluente liofilizado*

Amostras C/N H/C

1O1

6,6 1,9

1O2

5,8 2,1

1O3

9,3 2,0

2O1

6,6 1,7

2O2

9,7 1,9

2O3

4,7 2,0

3O1

7,0 1,6

3O2

4,1 2,0

3O3

5,4 2,1

1B1

8,2 2,0

1B2

7,8 1,8

1B3

7,4 1,8

2B1

5,4 2,0

2B2

6,6 1,4

2B3

7,0 2,3

3B1

5,1 2,4

3B2

8,2 2,3

3B3

8,8 1,7

2FSC3

5,25 1,3

*O – inoculado com esterco Ovino; B – inoculado com esterco Bovino; Os números iniciais 1,2 e 3 referem-se,

respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1,

2 e 3 do sistema

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 55

A razão H/C representa uma estimativa do grau de saturação das moléculas, sendo que

para ácidos húmicos de solo esta razão é em torno de 1,0 (STEVENSON, 1994). Na Tabela

5.3 podem-se observar valores superiores a 1,0 para todas as amostras de efluente analisadas,

indicando, dessa forma o caráter alifático da matéria orgânica do efluente.

5.1.3 – Macro e Micronutrientes do Efluente

Uma estimativa da composição mineral do efluente é apresentada na Tabela 5.4. O

efluente possui quantidades significativas de macronutrientes (K, P, Ca e Mg) e menores de

micronutrientes (Fe, Mn, Zn e Cu). Esses nutrientes possivelmente se encontram ligados à

matéria orgânica do efluente, sendo liberados de forma gradual para o solo.

TABELA 5.4 – Composição mineral das amostras de efluente liofilizado da caixa 3*

Elementos

(mg L

-1

)

1O3 2O3 3O3 1B3 2B3 3B3 2FSC3

179,55

(0,39)

214,94

(5,88)

239,25

(2,70)

210,74

(0,40)

273,19

(6,11)

222,17

(30,43)

231,71

(3,63)

134,48

(4,52)

134,06

(6,69)

143,07

(2,03)

109,67

(0,41)

126,93

(2,30)

109,66

(12,46)

117,78

(0,10)

44,26

(0,78)

43,00

(1,48)

39,31

(0,18)

43,45

(0,30)

41,13

(1,63)

43,03

(7,26)

67,95

(0,04)

42,51

(0,42)

36,82

(1,29)

30,14

(0,57)

23,46

(0,00)

17,95

(0,27)

17,24

(2,92)

38,25

(1,24)

14,57

(0,15)

10,78

(0,35)

8,12

(0,27)

7,62

(0,06)

2,06

(0,26)

4,13

(0,60)

19,47

(0,43)

0,70

(0,03)

0,30

(0,02)

0,47

(0,02)

0,84

(0,20)

0,15

(0,02)

0,38

(0,24)

0,55

(0,06)

0,11

(0,00)

0,04

(0,01)

0,02

(0,00)

0,11

(0,00)

0,02

(0,00)

0,06

(0,01)

0,15

(0,00)

0,26

(0,01)

0,07

(0,01)

0,17

(0,01)

0,40

(0,01)

0,08

(0,01)

0,25

(0,05)

0,15

(0,01)

0,05

(0,01)

0,03

(0,00)

0,04

(0,01)

0,10

(0,01)

0,04

(0,00)

0,09

(0,03)

0,08

(0,00)

*O – inoculado com esterco Ovino; B – inoculado com esterco Bovino; FSC – Fazenda Santa Cândida. Os

números iniciais 1,2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e

10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema. () desvio médio das medidas, n =2

Observaram-se também altas concentrações de sódio, quando comparados com as

obtidas para os nutrientes. No entanto, essas concentrações estão dentro da faixa de 50-250

mg L

-1

observada para efluentes secundários de esgoto tratado no mundo, segundo FONSECA

(2001), com exceção da amostra 2B3 que apresentou valor superior a 250 m L

-1

. Geralmente,

pelo fato do efluente ser salino (Tabela 5.4), o seu uso como adubo orgânico pode provocar

aumento na salinidade no solo. O excesso de sais na zona radicular (independentemente das

espécies iônicas presentes) prejudica a produtividade das plantas. Isso ocorre porque a maior

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 56

concentração da solução irá exigir da planta mais energia para conseguir absorver água (efeito

osmótico), uma energia que será desviada dos processos metabólicos essenciais (BIEROLAI

et al., 1984).

5.1.4 – Análises Espectroscópicas

5.1.4.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

A análise da matéria orgânica do efluente por infravermelho forneceu informações a

respeito dos grupos funcionais presentes no material. Analisando os espectros das Figuras 5.1

e 5.2 observa-se que ocorre variação nos grupamentos funcionais da matéria orgânica do

efluente, no entanto essa variação não segue uma tendência ao longo do processo de

biodigestão (da caixa 1 a 3).

A interpretação dos espectros de FTIR foi feita de acordo com vários estudos

encontrados na literatura (SCHNITZER e KHAN, 1978; SILVERSTEIN e WEBSTER, 2000;

NAKANISHI, 1962; PICCOLO e STEVENSON, 1982; BLOOM e LEENHER, 1989;

CANELLAS et al., 2001; POLAK et al., 2005).

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 57

FIGURA 5.1 – Espectros de FTIR do material liofilizado das três caixas do sistema da fossa séptica biodigestora.

O – inoculado com esterco Ovino; Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta

das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

1O3

1O2

Núm ero de onda (cm

-1

)

1O1

2O3

2O2

2O1

620

702

834

1008

1108

1410

1558

1624

1654

2854

2934

3O3

3O2

3O1

3400

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 58

FIGURA 5.2 – Espectros de FTIR do material liofilizado das três caixas do sistema da fossa séptica biodigestora.

B – inoculado com esterco bovino; Os números iniciais 1,2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta

das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

1B3

1B2

Número de onda (cm

-1

)

1B1

2B3

2B2

2B1

620

704

834

996

1108

1402

1560

1624

1664

2854

3B3

3B2

3B1

2924

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 59

Os espectros das amostras apresentaram na região de 3000 a 3500 cm

-1

uma banda

forte e larga centrada em aproximadamente 3400 cm

-1

, que pode ser atribuída ao estiramento ν

(O-H) da água ligada e a vários grupos contendo OH. Nessa mesma região, observou-se ainda

uma segunda banda centrada em torno 3270 cm

-1

, que é atribuída ao estiramento ν (N-H) de

grupos aminas presentes nas moléculas.

Na região de 2934 e 2854 cm

-1

encontram-se os estiramentos assimétrico e simétrico,

respectivamente, de estiramento C-H de grupos CH

–CH

(CELI et al., 1997), o que revela a

presença de grupos alifáticos da matéria orgânica presente no efluente. No entanto, para as

amostras da coleta 3 (Figuras 5.1 e 5.2) essa banda somente é observada na amostra 1B3.

Uma banda centrada em 1660 cm

-1

pode ser atribuída ao estiramento ν (C=O) de

grupos cetonas e a presença de íons carboxilatos (deformação axial assimétrica)

(CANELLAS et al., 2001). Para a amostra 2O3 e as da coleta 3 também foi observado uma

banda em 1624 cm

-1

, atribuída ao estiramento de íons COO

ligados a metais (PICCOLO,

1982).

Uma outra banda, em 1400 cm

-1

é atribuída aos estiramentos ν (COO

) de grupos

carboxilatos, sendo estes resultados coerentes com o caráter alcalino do efluente (Tabela 5.1).

Em 1560 cm

-1

, é observada (exceto nas amostras da coleta 3) uma banda devido às

vibrações do esqueleto em anéis aromáticos (C=C). Nota-se uma tendência à diminuição na

intensidade relativa dessa banda (1560 cm

-1

) quando se comparam as amostras no decorrer do

processo de biodigestão (da caixa 1 a 3).

Na região de 1100 a 1000 cm

-1

observaram-se bandas provenientes do estiramento C-

O de polissacarídeos. A forte intensidade nessa região é praticamente constante nas amostras

durante todo o processo, em virtude de muitos polissacarídeos apresentarem alta resistência à

degradação biológica (PICANÇO et al., 2000).

A região de baixa freqüência entre 800 a 400 cm

-1

é de difícil identificação,

geralmente atribuída a compostos aromáticos. No entanto, nessa região também ocorre

absorção de compostos silicatados. Dessa forma, sendo o material analisado não submetido a

qualquer processo de purificação pode-se atribuir as bandas observadas nos espectros a

impurezas do tipo silicatadas.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 60

5.1.4.2 – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)

A RPE tem sido muito usada na análise da matéria orgânica do solo, fornecendo

informações à cerca da concentração de radicais livres do tipo semiquinona (Figura 5.3),

sendo esta concentração usada como parâmetro para avaliar o índice de humificação da

matéria orgânica.

NOVAES et al., (2006) observaram um aumento na concentração dos radicais

semiquinonas para amostras do lodo presente nas caixas do sistema da fossa, indicando assim

um aumento na humificação da matéria orgânica. Porém, os fatores envolvidos na formação

do efluente, dentre eles o processo de degradação anaeróbia e o curto espaço de tempo do

material no sistema, sugerem não haver processo de humificação considerado significativo na

parte líquida do sistema. Sendo assim, buscou-se avaliar a concentração desses radicais na

matéria orgânica do efluente de forma a compreender as alterações na fração húmica do solo

causadas pela sua adição.

Na Tabela 5.5 estão apresentados os resultados obtidos para as concentrações de

radicais livres do tipo semiquinona observadas para as amostras do sólido obtido após

liofilização do material das caixas.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 61

TABELA 5.5 – Concentração de radicais livres do tipo semiquinona nas amostras de efluente liofilizado*

Amostras

Radicais livres do tipo semiquinona

(spin g

-1

de C (10

))

1O1

0,94 ± 0,05

1O2

3,17 ± 0,11

1O3

2,12 ± 0,04

2O1

1,61 ± 0,00

2O2

1,72 ± 0,03

2O3

2,15 ± 0,00

3O1

1,83 ± 0,01

3O2

2,19 ± 0,35

3O3

2,07 ± 0,13

1B1

0,60 ± 0,03

1B2

1,89 ± 0,00

1B3

1,17 ± 0,06

2B1

2B2

1,60 ± 0,08

2B3

2,00 ± 0,02

3B1

1,95 ± 0,22

3B2

1,16 ± 0,16

3B3

1,11 ± 0,06

2FSC3

1,52 ± 0,05

*O – inoculado com esterco Ovino; B – inoculado com esterco Bovino; FSC – Fazenda Santa Cândida. Os

números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e

10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema. Potência 2mW. nd – não detectado

Analisando a Figura 5.3, observou-se que não há uma tendência entre as concentrações

de radicais livres do tipo semiquinona, as quais variaram aleatoriamente ao longo de processo

de biodigestão e também entre as diferentes coletas do efluente. As amostras apresentaram

baixas concentrações de radicais semiquinonas, sendo que para a amostra 2B1 não foi

detectado sinal quantitativo.

A RPE é uma técnica extremamente sensível e sob condições favoráveis o limite de

detecção para centros paramagnéticos encontra-se no intervalo de 10

a 10

spin g

-1

, o que

equivale à parte por bilhão (NOVOTNY, 2002). Essa alta sensibilidade é o que possibilita a

análise de materiais complexos como resíduos orgânicos não purificados. Considerando o fato

de que a intensidade do sinal dos espectros de RPE é proporcional à raiz quadrada da potência

(WEIL et al., 1994), aplicou-se potência de 2,0 mW para as amostras de efluente, em virtude

da baixa relação sinal / ruído (s/r), visando obter um sinal quantitativo (apropriada relação s/r)

de radicais livres do tipo semiquinona. Isto se deve, provavelmente, à heterogeneidade de

compostos orgânicos, bem como minerais presentes no efluente. Portanto, os resultados

apresentados na Tabela 5.5 não são diretamente comparáveis aos obtidos para os ácidos

húmicos (Tabela 5.10), pois para esses, utilizou-se potência de 0,2 mW em virtude da

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 62

abundância de centros paramagnéticos e, conseqüentemente maior relação s/r, presentes nos

ácidos húmicos.

FIGURA 5.3 – Concentração de radicais livres do tipo semiquinona em spin g

-1

obtida para as amostras do

material liofilizado das três caixas do sistema da fossa séptica biodigestora. O – inoculado com esterco Ovino; B

– inoculado com esterco Bovino; 2FSC3 - Fazenda Santa Cândida. Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se,

respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006)

5.1.4.3 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

Experimentos de RMN de

C foram feitos, a fim de se obter informações sobre a

composição de grupos funcionais do material presente nas três caixas do sistema da fossa.

Como mencionado no Capítulo 2, a principal dificuldade da aplicação da RMN de

aos sólidos reside na baixa resolução características das amostras sólidas. Problemas como o

alargamento de linha devido tanto às interações dipolares heteronucleares (

H) como à

anisotropia do deslocamento químico, e a baixa sensibilidade devido aos longos tempos de

relaxação spin-rede dos núcleos de

C devem ser resolvidos. As técnicas MAS e CP têm

possibilitado melhores resultados, diminuindo estas limitações da RMN no estado sólido.

Contudo, os espectros observados para amostras sólidas, como os analisados neste

trabalho, apresentam bandas largas e sobrepostas, o que inviabiliza a identificação de linhas

da forma que é feita para a RMN no estado líquido. Também são observadas bandas laterais

que podem comprometer a quantificação do sinal. Estas bandas ocorrem quando a velocidade

de rotação da amostra em torno do ângulo mágico (54,74

) é menor que a anisotropia do

deslocamento químico (CSA) (PEURAVOURI et al., 2003). Para grupos carbonílicos e

1O 2O 3O 1B 2B 3B 2FSC3

0,0

5,0x10

1,0x10

1,5x10

2,0x10

2,5x10

3,0x10

3,5x10

Spin g

-1

Caixa 1

Caixa 2

Caixa 3

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 63

aromáticos, as bandas laterais são ditas de primeira ordem, apresentando valores de

intensidade usualmente <10 % da intensidade observada para a banda central. Ainda, são

geradas bandas de segunda e terceira ordens, no entanto, estas podem ser negligenciadas, pois

apresentam intensidade <1,0 % da banda central. Uma das formas de se minimizar a

interferência das bandas laterais é integrando sua área e subtraindo-a da área do espectro.

Contudo, neste trabalho não foi feito à subtração dessas bandas laterais nos espectros,

somente uma estimativa de sua área, a qual representa em média 2,8 % para as amostras de

efluente e lodo.

Porém, existe a possibilidade de se obter informação semiquantitativa mediante a

integração de regiões específicas e a associação com grupos funcionais característicos das SH.

Os principais grupos detectados por RMN de

C no estado sólido em AH, mostrados na

Figura 2.12, são grupos alifáticos (0-45 ppm), N-alifáticos e metoxílicos (45-60 ppm), O-

alifáticos (60-110 ppm), aromáticos (110-140 ppm), O-aromáticos (140-160 ppm),

carboxílicos (160-185 ppm) e carbonílicos (185-230 ppm).

Nas Figuras 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 e 5.8 estão apresentados os espectros de RMN de

C das

amostras liofilizadas de efluente inoculados com esterco bovino ou ovino, e de lodos,

coletados no fundo de cada caixa. Os espectros obtidos para as amostras de efluente foram

muito similares, apresentaram bandas largas e sobrepostas. A intensidade do pico em

aproximadamente 164 ppm, atribuído a C-carboxílico, apresentou grande variação entre as

coletas, tanto para esterco ovino quanto bovino. Pôde-se observar ainda, que a matéria

orgânica do efluente é rica em carboidratos (pico ~72 ppm), proteínas (~55 ppm) e em outros

compostos de caráter alifático indicado pelos picos em aproximadamente 30 e 23 ppm. Baixa

intensidade foi observada para carbonos aromáticos, os quais absorvem em torno de 130 ppm.

Os espectros obtidos para os lodos apresentaram menor intensidade nas bandas

observadas para os compostos alifáticos (0-45 ppm) em comparação com os obtidos para os

sólidos suspensos do efluente. Para o lodo, tanto do sistema inoculado com esterco ovino

quanto para bovino, foi observado maior intensidade para o pico referente a carboidratos (~74

ppm) em relação aos demais grupos ao longo do espectro.

As porcentagens obtidas para os grupos funcionais presentes nas amostras de efluente

e lodo, calculadas a partir dos espectros de RMN de

C (PRESTON, 1996), estão

apresentadas nas Figuras 5.9, 5.10, 5.11 e 5,12. As amostras de efluente apresentaram caráter

fortemente alifático, enquanto que para o lodo a porcentagem de grupos alifáticos obtida é

menor e de grupos aromáticos, ligeiramente maior.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 64

Não foi observada tendência na variação do percentual dos grupos funcionais nas

amostras de efluente, o que reforçou os dados obtidos por RPE, os quais indicaram haver

composição variável do material ao longo do sistema, assim como nas diferentes coletas.

Analisando os valores médios das porcentagens dos grupos funcionais em cada coleta

(Figura 5.10), observou-se que esses valores são muito similares estatisticamente. Dessa

forma, não foram observadas variações na matéria orgânica presente no efluente em função

do inoculante utilizado (esterco ovino ou bovino) ou mesmo da época em que foram

coletados.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 65

FIGURA 5.4 – Espectro de RMN de

C de amostras de efluente liofilizado. O – inoculado com esterco Ovino;

Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e

10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema

128

164

3O3

3O2

3O1

173

2O3

2O2

2O1

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100

1O3

1O2

Deslocamento químico (ppm)

1O1

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 66

FIGURA 5.5 – Espectro de RMN de

C de amostras de lodo liofilizado. L2O – lodo do sistema inoculado com

esterco Ovino coletado em 07/2006; Os números seguintes à letra referem-se às caixas 1, 2 e 3 do sistema

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100

175

154

130

L2O1

L2O2

Deslocamento químico (ppm)

L2O3

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 67

FIGURA 5.6 – Espectro de RMN de

C de amostras de efluente liofilizado. B – inoculado com esterco Bovino;

Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e

10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100

1B3

1B2

Deslocamento químico (ppm)

1B1

2B3

2B2

2B1

129

164

3B3

3B2

3B1

175

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 68

FIGURA 5.7 – Espectro de RMN de

C de amostras de lodo liofilizado. L2B – lodo do sistema inoculado com

esterco Bovino coletado em 07/2006; Os números referem-se às caixas 1, 2 e 3 do sistema

FIGURA 5.8 – Espectro de RMN de

C de amostras de efluente (A) e lodo (B). 2FSC3 – Fazenda Santa

Cândida, caixa 3, coleta 2; L2FSC3 – lodo da caixa 3 do sistema da Fazenda Santa Cândida coletado em

07/2006

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100

130

154

L2B3

L2B2

Deslocamento químico (ppm)

L2B1

175

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100

104

135

154

Deslocamento químico (ppm)

L2FSC3

174

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100

129

174

2FSC3

Deslocamento químico (ppm)

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 69

FIGURA 5.9 – Porcentagem dos grupos funcionais obtidas através dos espectros de RMN de

C com

VACP/MAS das amostras de efluente de cada caixa e nas três coletas. O – inoculado co esterco ovino; B –

inoculado com esterco Bovino; Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta das

amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1, 2 e 3 do sistema

C-

lif

N-

lif

-O-al

O-

C-carbox.

Porcentagem

1O1

1O2

1O3

C-alif.

f./m

tox.

C-ar

C-carbox.

C-ca

bon.

Porcentagem

1B1

1B2

1B3

C-a

N-a

./metox.

C-O-

lif.

C-

om.

C-

-ar

om.

C-

ox.

C-c

Porcentagem

2O1

2O2

2O3

C-

ali

N-alif./metox.

C-O-alif.

C-

arom.

C-

O-a

om.

C-carbon.

Porcentagem

2B1

2B2

2B3

N-alif./metox.

C-O

alif.

C-a

om.

C-O-arom.

car

box.

car

bon.

Porcentagem

3B1

3B2

3B3

C-

lif.

N-alif./metox.

C-O-alif.

C-arom.

-O-ar

C-

rbox.

C-car

on.

Porcentagem

3O1

3O2

3O3

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 70

FIGURA 5.10 – Média da porcentagem dos grupos funcionais obtidas através dos espectros de RMN de

C com

VACP/MAS das amostras de efluente em cada coleta. O – sistema inoculado com esterco ovino; B – sistema

inoculado com esterco Bovino; Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se, respectivamente, à ordem de coleta das

amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006)

C-alif

alif./meto

C-O-alif.

C-

O-

C-ca

-carbon.

Porcentagem

C-

if.

-al

met

C-O-al

C-aro

C-O-arom

C-

carb

C-carb

Porcentagem

N-alif./m

tox.

-a

if.

-arom.

C-O-arom.

C-carbox.

C-carbon.

Porcentagem

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 71

FIGURA 5.11 – Porcentagem dos grupos funcionais obtidas através dos espectros de RMN de

C com

VACP/MAS das amostras de lodo coletado em 07/2006. L2O – lodo do sistema inoculado com esterco ovino;

L2B – lodo do sistema inoculado com esterco Bovino; Os números seguintes à letra referem-se às caixas 1, 2 e 3

do sistema

FIGURA 5.12 – Porcentagem dos grupos funcionais obtidas através dos espectros de RMN de

C com

VACP/MAS das amostras de efluente e lodo. 2FSC3 – Fazenda Santa Cândida, caixa 3, coleta 2; L2FSC3 – lodo

da caixa 3 do sistema da Fazenda Santa Cândida coletado em 07/2006

Na Tabela 5.6 estão apresentados os dados referentes às porcentagens de grupamentos

aromáticos e alifáticos observadas para as amostras de efluente e lodo. Observando-se os

valores isolados, nota-se que ocorreu variação no percentual de grupos aromáticos e alifáticos

ao longo do processo de biodigestão. No entanto, quando se analisaram os valores médios

obtidos para cada coleta, não foram observadas mudanças no grau de aromaticidade /

C-alif.

-alif.

metox.

C-O

C-arom.

C-

-arom.

C-

-ca

Porcentagem

L2O1

L2O2

L2O3

alif.

./m

ox.

C-

-ali

C-

arom.

C-

arom.

C-ca

box.

car

bon.

Porcentagem

L2B1

L2B2

L2B3

C-alif.

N-al

/me

ox.

C-

O-al

C-

rom

C-O-a

rom

C-c

arbox.

C-carbon.

Porcentage

2FSC3

L2FSC3

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 72

alifaticidade das amostras, possivelmente, devido ao pequeno número de amostras analisado,

o que resultou em valores estatisticamente iguais.

A porcentagem de aromaticidade /alifaticidade observada para as amostras de efluente

foram similares às obtidas para o lodo, indicando um baixo grau de aromaticidade do material

presente na Fossa Séptica.

TABELA 5.6 – Porcentagem dos grupos aromáticos e alifáticos nas amostras de efluente e lodo obtidas através

dos espectros de RMN de

Aromaticidade (%) Alifaticidade (%)

Amostras

Valor em

cada caixa

Média entre

as caixas

Valor em

cada caixa

Média entre

as caixas

1O1

16 84

1O2

15 85

1O3

15,3 ± 0,6

84, 7 ± 0,6

2O1

14 86

2O2

12 88

2O3

14,7 ± 3,0

85,3 ± 3,0

3O1

14 86

3O2

16 84

3O3

14,3 ± 1,5

85,7 ± 1,5

1B1

15 85

1B2

13 87

1B3

14,0 ± 1,0

86,1 ± 1,0

2B1

16 84

2B2

14 86

2B3

16,3 ± 2,5

83,7 ± 2,5

3B1

13 87

3B2

14 86

3B3

12,0 ± 2,6

88,0 ± 2,6

LO1

19 81

LO2

15 85

LO3

15,7 ± 3,0

84,3 ± 3,0

LB1

17 83

LB2

18 82

LB3

16,3 ± 2,1

83,7 ± 2,1

2FSC3

16 84

LFSC3

*O – inoculado com esterco Ovino; B – inoculado com esterco Bovino; Os números iniciais 1, 2 e 3 referem-se,

respectivamente, à ordem de coleta das amostras (10/2005; 07/2006 e 10/2006) e os seguintes à letra, às caixas 1,

2 e 3 do sistema; L – lodo

Na Tabela 5.3 podem-se observar valores superiores a 1,0 para todas as amostras de

efluente analisadas, indicando, dessa forma o caráter alifático da matéria orgânica do efluente,

sendo essa informação coerente com os dados obtidos por RMN de

C e FTIR.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 73

5.2 – Impacto Causado pela Adição de Efluente no Solo

5.2.1 – Condutividade e pH

Os valores de pH obtidos para as amostras de solo são mostrados na Tabela 5.7.

Analisando esses resultados pode-se observar que o solo analisado possui caráter bastante

ácido, isso é mais nítido se compararmos os solos de mata, que não recebem qualquer tipo de

corretivo de acidez, com os demais solos que são tratados com calcário. O solo adubado com

efluente apresentou valor de pH ligeiramente superior ao solo com adubação mineral em

especial na primeira camada. Segundo YAN et al., (1996) a adição de resíduos orgânicos

pode ocasionar aumento no pH do solo devido, principalmente a dois diferentes processos:

descarboxilação de ânions orgânicos consumindo H

e liberando CO

(R-CO-COO

+ H

→

R-CHO + CO

) e desaminação de aminoácidos. Porém, a contribuição deste último processo é

provavelmente de menor importância, pelo fato de o grupo aminoácido encontrar-se

predominantemente protonado.

TABELA 5.7 – Valores de pH e condutividade para as amostras de solo*

pH Condutividade a 25

C (dS m

-1

) Amostras de

solo

0-10 cm 10-20 cm 20-40 cm 0-10 cm 10-20 cm 20-40 cm

5,15 ± 0,01 4,59 ± 0,01 4,68 ± 0,01 0,18 ± 0,01 0,14 ± 0,01 0,12 ± 0,01

NPK

4,81 ± 0,01 4,40 ± 0,01 4,47 ± 0,01 0,20 ± 0,00 0,11 ± 0,01 0,10 ± 0,01

3,57 ± 0,01 3,64 ± 0,01 3,73 ± 0,01 0,33 ± 0,00 0,20 ± 0,01 0,19 ± 0,01

*CE: solo adubado com efluente; NPK: solo com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M:

solo de mata

A condutividade está relacionada com o conteúdo de sais na solução do solo. Na

Tabela 5.7 é possível observar um decréscimo nesse conteúdo conforme aumenta a

profundidade no solo. Dentre os solos analisados, o de mata apresentou maiores

concentrações de sais. Pôde-se observar também que o solo adubado com efluente desde o

segundo semestre de 2003, não apresentou excesso de salinidade, visto que seus valores de

condutividade estão na faixa de 0,0-2,0 dS m

-1

e dentro desta faixa os efeitos da salinidade são

geralmente negligenciáveis (TOMÉ Jr., 1997).

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 74

5.2.2 – Macro e Micronutrientes Disponíveis no Solo

As concentrações de nutrientes disponíveis no solo são mostradas na Figura 5.12.

Verificou-se um aumento nas concentrações dos macronutrientes quando adicionado o

efluente, em relação ao solo adubado com NPK, já os teores de micronutrientes para esses

dois solos foram semelhantes.

FIGURA 5.12 – Concentração de macro e micronutrientes disponíveis no solo. A e B – macronutrientes; C e D –

micronutrientes; CE: solo adubado com efluente; NPK: solo com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato

e potássio; M: solo de mata. As numerações referem-se às profundidades amostradas – 1: 0-10 cm; 2: 10-20 cm

e 4: 20-40 cm

O solo de mata apresentou baixas concentrações de nutrientes, exceto de ferro e

manganês, que foram superiores aos demais solos analisados. Possivelmente, devido ao

CE 1 CE 2 CE 4 NPK 1NPK 2NPK 4 M 1 M 2 M 4 --

mg dm

-3

CE 1 CE 2 CE 4 NPK 1NPK 2NPK 4 M 1 M 2 M 4 --

mmol

-3

CE 1 CE 2 CE 4 NPK 1NPK 2NPK 4 M 1 M 2 M 4 --

100

120

140

mg dm

-3

CE 1 CE 2 CE 4 NPK 1NPK 2NPK 4 M 1 M 2 M 4 --

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

mg dm

-3

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 75

caráter ácido deste solo, o qual favorece a disponibilidade de ferro e manganês, abundantes no

solo analisado.

Esse aporte de nutrientes no solo, ocasionado pela adição do efluente, é importante,

pois possibilita a diminuição do uso de fertilizantes químicos. Na Fazenda Santa Cândida,

onde foi instalado este experimento, faz-se, normalmente, uso de fertilizante mineral a base de

nitrogênio, fosfato e potássio três vezes ao ano. Em 2006, foi feita somente uma aplicação,

visto que as concentrações de nutrientes no solo foram consideradas satisfatórias.

5.2.3 – Carbono Orgânico Total (COT)

Na Figura 5.13 são mostradas as porcentagens de carbono total obtidas para as

amostras de solo. Os solos analisados apresentaram percentuais de carbono variando de 0,63 a

2,16 % C. Para as amostras pertinentes ao solo de mata observou-se maior teor de carbono

que os demais solos analisados, em virtude de esse solo não ter sido submetido a qualquer

forma de manejo. Comparando os solos adubados (Figura 5.13), pode-se observar que o solo

que recebeu aplicação de efluente apresentou maior teor de carbono. Esse aporte

proporcionado é importante, pois dessa forma o efluente se torna mais uma alternativa para a

elevação dos teores de matéria orgânica no solo.

FIGURA 5.13 – Porcentagem de carbono total em amostras de solo. CE: solo adubado com efluente; NPK: solo

com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M: solo de mata

O aporte de matéria orgânica provocado pela adição de efluente é pequeno se

comparado diretamente com o solo que recebeu adubação mineral. No entanto, deve-se

CE NPK M

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

% C

0-10 cm

10-20 cm

20-40 cm

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 76

considerar que o foram feitas poucas aplicações de efluente no solo desde que o sistema da

fossa foi instalado, no ano de 2003. Dessa forma, os resultados obtidos indicam uma

tendência ao aumento dos teores de carbono no solo com efluente. Contudo, a elevação e

posterior manutenção de teores elevados de carbono no solo dependerá de aplicações

sucessivas do resíduo (OLIVEIRA et al., 2002), visto que os efeitos sobre os teores de

carbono podem ser temporários (MELO et al., 1994) em decorrência da decomposição da

matéria orgânica.

Corroborando com LEITE et al., (2004), os resultados obtidos para os teores de

carbono apresentaram maiores concentrações na camada superficial (0-10 cm), e diminuem

linearmente conforme se aumenta à profundidade.

5.2.3 – Espectroscopia de Fluorescência Induzida por Laser (FIL)

As análises de FIL foram feitas a fim de se obter informação a respeito do índice de

humificação (H

FIL

) da matéria orgânica do solo, usando amostras de solo intacto. A proposta

de cálculo deste índice de humificação é a razão entre o valor da ACF e o valor de COT

presente na amostra de solo intacto (MILORI et al., 2004), ou seja:

FIL

= ACF/COT

O índice de humificação obtido através da FIL está representado na Figura 5.14. Nela

pode-se observar que as amostras de 0-10 e 10-20 cm para os solos CE e NPK apresentaram

valores bem próximos para o índice de humificação. Já para a amostra na profundidade de 20-

40 cm, observou-se que o solo com adubação mineral do tipo NPK obteve maior índice de

humificação. Os menores valores no solo CE representam um aporte de MO recente

proveniente do efluente ou da atividade microbiana. As amostras de AH do solo de mata

apresentaram grau de humificação H

FIL

bem inferior aos demais solos, sendo que esse

comportamento não foi observado nos outros índices de humificação avaliados. Essa grande

diferença pode ser atribuída ao fato de a FIL analisar solos intactos, sem qualquer processo de

extração das SH, estando presentes todos os grupamentos fluoróforos da matéria orgânica do

solo, podendo ocorrer dessa forma, um efeito de diluição da matéria orgânica humificada,

diminuindo o sinal de fluorescência.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 77

FIGURA 5.14 – Índice de humificação (H

FIL

) obtido através da fluorescência induzida por laser de amostras de

solo dividido pela porcentagem de carbono orgânico das mesmas. CE: solo adubado com efluente; NPK: solo

com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M: solo de mata

5.3 – Matéria Orgânica do Solo (Ácidos Húmicos)

5.3.1 – Análise Elementar

Os valores obtidos para a composição elementar dos AH e os teores de cinzas estão

apresentados na Tabela 5.8.

TABELA 5.8 – Composição elementar (carbono, nitrogênio, hidrogênio, enxofre e oxigênio) e teor de cinzas em

amostras de AH extraídos do solo*

Amostras C (%) N (%) H (%)

S (%)

O (%) Cinzas (%)

CE1

48 4 5

37 4

CE2

47 4 5

36 6

CE4

48 4 4

36 5

NPK1

48 4 5

37 4

NPK2

48 4 5

36 5

NPK4

49 4 5

36 3

49 4 3

40 1

50 4 5

38 1

M4 50 4 4

38 2

*CE: solo adubado com efluente; NPK: solo com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M:

solo de mata. As numerações referem-se às profundidades amostradas – 1: 0-10 cm; 2: 10-20 cm e 4: 20-40 cm.

Oxigênio determinado por diferença

CE NPK M

100

200

300

400

500

600

700

FIL

0-10 cm

10-20 cm

20-40 cm

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 78

A análise elementar proporcionou informações sobre a distribuição dos elementos

químicos principais (C, N, H, S e O) nos AH, sendo que não foram observadas diferenças

significativas nos percentuais desses elementos nos três solos analisados.

A razão C/N (Tabela 5.9) obtida para as amostras de AH variaram de 13,7 a 16,0.

Dados na literatura indicam que a razão obtida está dentro da faixa esperada para AH

extraídos de solo. (NICOLARDOT et al., 2001). Para as amostras de solo de mata observou-

se um aumento dessa razão ao longo do perfil do solo, indicando um aumento no índice de

humificação dessas amostras.

TABELA 5.9 – Razões atômica C/N e H/C das amostras de amostras de AH extraídos do solo

Amostras* C/N H/C

CE1

14,2 1,29

CE2

13,7 1,27

CE4

14,3 1,11

NPK1

14,1 1,22

NPK2

14,0 1,25

NPK4

14,5 1,23

14,7 0,82

15,3 1,12

M4 16,0 1,02

*CE: solo adubado com efluente; NPK: solo com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M:

solo de mata. As numerações referem-se às profundidades amostradas – 1: 0-10 cm; 2: 10-20 cm e 4: 20-40 cm

De acordo com STEVENSON (1994), a razão H/C pode ser usada para avaliar o grau

de insaturação dos ácidos húmicos. Quanto maior esta razão menor é o grau de insaturação

das moléculas. Na Tabela 5.9, observa-se que os AH dos solos CE apresentaram maiores

valores de H/C, indicando que essas amostras possuem maior grau de saturação que os demais

AH, possivelmente devido à incorporação da matéria orgânica presente no efluente. A razão

H/C observada para as amostras de AH de mata mostrou que este material possui alto grau de

insaturação.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 79

5.3.2 – Análises Espectroscópicas

5.3.2.1 – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

As análises de infravermelho foram feitas visando obter informações sobre a

composição de grupos funcionais, dos ácidos húmicos extraídos dos solos.

As possíveis atribuições dos sinais foram baseadas no conhecimento acumulado pela

RMN de

C em solos e ácidos húmicos nos trabalhos descritos na literatura WILSON 1984 e

1987; SCHNITZER e PRESTON, 1986; PRESTON et al., 1994ab, 1996; KÖGEL-KNABER,

1997; SCHULTEN e SCHNITZER, 1997; VEEMAN, 1997; ZECH et al., 1997; CELI et al.,

1997.

Os espectros de infravermelho para as amostras de AH são apresentados na Figura

5.15.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 80

FIGURA 5.15 – Espectros de FTIR de AH extraídos de amostras de solos adubados com efluente (CE), solo com

adubação mineral a base de nitrogênio, fósforo e potássio (NPK) e solo de mata

Uma banda larga na região de alta freqüência, entre 3600 e 3070 cm

-1

presente em

todos os espectros é atribuída às vibrações de estiramentos O-H, indicando a abundante

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

CE4

CE2

Número de onda

(

-1

)

CE1

NPK4

NPK2

NPK1

1060

1236

1420

1618

1718

2850

2918

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 81

presença de grupos hidroxilas nos AH obtidos. Na região de 2918 e 2850 cm

-1

encontram-se

os estiramentos assimétrico e simétrico, respectivamente, de CH alifáticos (CELI et al., 1997).

A banda em 1718 cm

-1

é atribuída a vibrações ν (O-C=O) de ésteres ou ν (C=O) de

cetonas (NAIDJA et al., 2002), enquanto que em torno de 1620 cm

-1

tem-se ν (C=O) de grupo

amida – banda de amida I, C=C de anel aromático, deformação axial de C=C, C=N, absorção

anti-simétrica de C=O de COO

e deformação angular de H

O (NIEMEYER et al., 1992;

BAES e BLOOM, 1989; GUIMARÃES, 1997).

Uma banda fraca em torno de 1420 cm

-1

refere-se ao estiramento assimétrico C-O e

/ou a deformação C-O-H dos COOH e estiramento simétrico dos íons COO

. A banda

próxima a 1236 cm

-1

é atribuída à deformação axial C-O dos COOH (BAES e BLOOM,

1989) e estiramento simétrico C-O. Ainda, as absorções observadas entre 1200-1100 cm

-1

podem ser atribuídas ao ν (C-O) de polissacarídeos (STEVENSON, 1994; NIEMEYER et al.,

1992) provavelmente celulose ou hemicelulose residual (INBAR et al., 1989) ou impurezas se

silicatos relacionadas ao ν (Si-O) (GUIMARÃES, 1997).

Analisando os espectros obtidos para os AH extraídos do solo, observou-se que todos

eles apresentaram perfis semelhantes, indicando a presença dos mesmos grupos funcionais,

não sendo observada, através desta técnica, qualquer alteração nestes grupos, em virtude da

adição da matéria orgânica do efluente.

5.3.2.2 – Espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)

O sinal do radical livre orgânico das substâncias húmicas, detectável por RPE, é

atribuído a radicais livres do tipo semiquinona. Quanto maior a concentração de radicais

livres do tipo semiquinona, maior a humificação da matéria orgânica (SENESI, 1990a;

MARTIN-NETO et al., 1991, 1998). Normalmente a maior humificação está relacionada à

formação de compostos mais aromáticos (KÖGEL-KNABER et al., 1991). No entanto, pela

complexidade da MOS, é temerário assumir um único tipo de radical como responsável pelo

sinal, e na literatura internacional não se descarta a possibilidade de envolvimento de outros

tipos de estruturas (SENESI, 1990b; CHESHIRE e MCPAHIL, 1996; WATANABE et al.,

2005).

Para quantificação de espécies paramagnéticas, a concentração de spins é diretamente

proporcional à integral dupla do espectro de RPE (Figura 2.9). Uma aproximação

normalmente muito utilizada para a obtenção da concentração de spins é feita utilizando-se a

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 82

fórmula I × ∆H

(POOLE, 1967), onde I é a intensidade do sinal e ∆H é a largura do sinal

tomada pico a pico.

TABELA 5.10 – Concentração de radicais livres do tipo semiquinona e largura de linha das amostras de AH

extraídos do solo CE, NPK e M, fornecidas por RPE*

Amostras

Radicais livres do tipo semiquinona

(spin g

-1

de C (10

))

Largura de linha

(Gauss)

CE1

1,92 ± 0,02 4,52 ± 0,10

CE2

1,36 ± 0,13 4,84 ± 0,07

CE4

2,59 ± 0,10 4,30 ± 0,07

NPK1

1,74 ± 0,03 4,42 ± 0,10

NPK2

1,82 ± 0,01 4,59 ± 0,00

NPK4

2,03 ± 0,06 4,77 ± 0,03

2,05 ± 0,04 4,25 ± 0,07

2,66 ± 0,13 4,25 ± 0,00

M4 4,37 ± 0,04 4,01 ± 0,07

*CE: solo adubado com efluente; NPK: solo com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M:

solo de mata. As numerações referem-se às profundidades amostradas – 1: 0-10 cm; 2: 10-20 cm e 4: 20-40 cm.

Potência 0,2 mW

Os resultados obtidos para a concentração de radicais livres do tipo semiquinona para

as amostras de solos estão descritos na Tabela 5.10. A concentração desses radicais foi

avaliada em dois solos sob cultivo e diferentes tipos de adubos (CE e NPK) e em um solo de

mata (M). Nos três solos analisados observou-se um aumento na concentração de radicais

semiquinona conforme se aumenta à profundidade.

No solo de mata foi observada maior concentração desses radicais, indicando maior

índice de humificação dessas amostras. A adição do efluente no solo alterou

significativamente a concentração dos radicais semiquinona no solo. Comparado ao solo com

adubação NPK, observou-se que o solo com CE apresentou nas camadas de 0-10 e 20-40 cm

maiores índices de humificação, no entanto, ocorreu uma diminuição neste índice na camada

de 10-20 cm (Figura 5.16). Dessa forma, nota-se uma contribuição dos radicais do tipo

semiquinona, presentes em baixas concentrações no efluente (Figura 5.3, amostra 2FSC3), na

alteração da matéria orgânica natural do solo.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 83

FIGURA 5.16 – Comcentração de radicais livres do tipo semiquinona em spin g

-1

obtida para as amostras de

AH extraídos de solos adubados com efluente (CE), com adubação mineral a base de nitrogênio, fósforo e

potássio (NPK) e de solo de mata (M)

Características adicionais dos radicais livres semiquinona podem ser obtidas usando a

largura de linha do sinal de RPE (POOLE e FARACH, 1972; MARTIN-NETO et al., 2001).

MARTIN-NETO et al., (2001) observaram que a largura de linha dos radicais livres do tipo

semiquinona era diretamente proporcional à diminuição do pH para Latossolos e ácidos

húmicos de turfa, fornecendo evidências de que o tempo de relaxação do estado excitado do

sinal semiquinona dessas substâncias húmicas seja maior em meio ácido, devido às mudanças

conformacionais das SH, o que resulta em uma interação menos efetiva com o meio externo.

Geralmente, as amostras de ácidos húmicos com maior concentração de radicais livres

do tipo semiquinona, são associadas a sinais com menor largura de linha, devido ao maior

grau de humificação e radicais mais protegidos com relação ao meio externo (MARTIN-

NETO et al., 2001; SPOSITO et al., 1996).

Corroborando com SANTOS (2006), MARTIN-NETO et al., 2001; SPOSITO et al.,

1996, os ácidos húmicos com maior concentração de radicais livres do tipo semiquinona

apresentaram menor largura de linha (Tabela 5.10). Observou-se que os ácidos húmicos

extraídos do solo de mata apresentaram maior concentração de radicais livres semiquinona e

menor largura de linha, sendo que para este solo foi observado maior caráter ácido (Tabela

5.7).

CE NPK M

0,0

5,0x10

1,0x10

1,5x10

2,0x10

2,5x10

3,0x10

3,5x10

4,0x10

4,5x10

Spin g

-1

0-10 cm

10-20 cm

20-40 cm

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 84

5.3.2.3 – Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

Os espectros de RMN de

C para as amostras de AH estão apresentados na Figura

5.13.

FIGURA 5.17 – Espectros de RMN de

C dos AH extraídos do solo. CE: solo adubado com efluente; NPK: solo

com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M: solo de mata. As numerações referem-se às

profundidades amostradas – 1: 0-10 cm; 2: 10-20 cm e 4: 20-40 cm.

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100

CE4

CE2

Deslocamento químico (ppm)

CE1

NPK4

NPK2

NPK1

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 85

As mesmas considerações feitas para o efluente da fossa com relação às limitações da

RMN de

C no estado sólido, citadas no item 5.1.4.3, também são aplicáveis para as de AH.

Na Figura 5.18 estão apresentadas as porcentagens relativas aos grupamentos

aromáticos e alifáticos presentes nas amostras de AH. Nos AH do solo CE ocorreu uma

diminuição no teor de carbono alifático com o aumento da profundidade, semelhante ao

observado para os de solo de mata. Com o uso do efluente, o solo recebe matéria orgânica de

caráter mais simples devido ao processo de biodegradação a qual foi submetida no

biodigestor, sendo dessa forma incorporada ao solo mais facilmente. Em contraposição, para o

solo de mata, tem-se um sistema fechado, no qual adiciona-se ao solo matéria orgânica fresca,

proveniente de folhas de árvores e também de origem animal. Este material é degradado pela

ação dos microrganismos e lentamente incorporado à matéria orgânica do solo, sendo que nas

camadas de 10-20 e 20-40 cm não ocorreu alteração no teor desses grupos alifáticos (Figura

5.18C), indicando uma possível estabilização dessa matéria orgânica.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 86

FIGURA 5.18 – Porcentagem da área total das bandas nos espectros de RMN de

C com VACP/MAS das

amostras de AH. CE: solo adubado com efluente; NPK: solo com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato

e potássio; M: solo de mata. As numerações referem-se às profundidades amostradas – 1: 0-10 cm; 2: 10-20 cm e

4: 20-40 cm

-alif.

-a

if.

C-O

ali

C-arom.

C-O

-c

C-carbon.

Porcentagem

CE1

CE2

CE4

N-a

f./met

ox.

-O-alif.

-arom.

C-

arbo

C-carbon.

Porcentagem

NPK1

NPK2

NPK4

-a

tox.

C-arom.

-c

Porcentagem

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 87

Na Tabela 5.11 estão apresentados os dados referentes às porcentagens de

grupamentos aromáticos e alifáticos observadas para as amostras de AH. Para as amostras de

AH do solo com efluente observou-se que a adição do efluente provocou um aumento na

alifaticidade na matéria orgânica se comparado com o solo adubado com NPK. Resultados

semelhantes ao observado por SANTOS, (2006) ao avaliar o grau de aromaticidade de

amostras de Latossolo submetidos à adição de lodo de esgoto.

TABELA 5.11 – Porcentagem dos grupos aromáticos e alifáticos nas amostras de AH obtidas através dos

espectros de RMN de

Amostras* Aromaticidade (%) Alifaticidade (%)

CE1

21 79

CE2

21 79

CE4

27 73

NPK1

26 74

NPK2

25 75

NPK4

26 74

20 80

24 76

M4 27 73

*CE: solo adubado com efluente; NPK: solo com adubação mineral à base de nitrogênio, fosfato e potássio; M:

solo de mata. As numerações referem-se às profundidades amostradas – 1: 0-10 cm; 2: 10-20 cm e 4: 20-40 cm

5.3.2.4 – Espectroscopia de Fluorescência em Solução

A fluorescência tem sido amplamente reconhecida como uma técnica relativamente

simples, sensível e útil para o estudo estrutural e funcional relativo às amostras tal como o

ácido húmico.

As principais vantagens desta técnica são, a alta sensibilidade e seletividade, pois

somente aqueles grupos funcionais que fluorescem podem ser observados. Com isso, o uso da

técnica de fluorescência nos estudos sobre substâncias húmicas está apoiado pela presença

estável de várias estruturas fluorescentes intrínsecas a molécula húmica e a seus precursores,

particularmente anéis aromáticos, fenóis e grupos quinona (SENESI et al., 1991).

5.3.2.4.1 – Modalidade de Emissão

Os espectros de emissão foram obtidos utilizando metodologias propostas por

MILORI et al., (2002) e ZSOLNAY et al., (1999), as quais propõem a excitação das amostras

em 465 e 240 nm, respectivamente.

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 88

Os espectros das amostras de AH pertinente às metodologias, assim como os

respectivos índices de humificação são mostrados nas Figuras 5.19, 5.20, 5.21 e 5.22.

FIGURA 5.19 – Espectros de emissão de fluorescência de AH extraídos do solo, medidos com comprimento de

onda de excitação λ

= 465 nm. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a base de

nitrogênio, fósforo e potássio; M – solo de mata

500 550 600 650 700

120

160

200

240

280

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

CE 0-10 cm

CE 10-20 cm

CE 20-40 cm

500 550 600 650 700

120

160

200

240

280

320

Intensidade de fluorescência (u.a)

Com

rimento de onda

(

)

NPK 0-10 cm

NPK 10-20 cm

NPK 20-40 cm

500 550 600 650 700

120

160

200

240

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

M 0-10 cm

M 10-20 cm

M 20-40 cm

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 89

Os espectros de emissão obtidos com λ

= 465 nm apresentaram-se como uma única

banda com um máximo de emissão centrado em torno de 524 nm. Observou-se um mesmo

perfil para os três solos analisados, no qual a intensidade de fluorescência aumentou conforme

se aumentava à profundidade no solo.

Segundo MILORI et al. (2002), uma boa estimativa do índice de humificação para

amostras de AH pode ser obtida integrando-se a área sob a curva dos espectros de emissão

com λ

= 465 nm, sendo denominado A

465

FIGURA 5.20 – Índice de humificação, A

465

, obtido segundo metodologia de MILORI et al., (2002) para os AH

extraídos do solo. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a base de nitrogênio,

fósforo e potássio; M – solo de mata

Os índices de humificação, A

465

, obtidos para as amostras de AH estão apresentados

na Figura 5.20. Observou-se que as amostras para os solo CE e NPK apresentaram índices de

humificação bem semelhantes, não sendo observada qualquer mudança em função da adição

do efluente. Para as amostras de M, foram observados maiores índices de humificação nas

camadas de 0-10 e 10-20 cm e na camada de 20-40 cm apresentou caráter menos humificado

que os solos sob cultivo.

Utilizando a metodologia proposta por ZSOLNAY et al., (1999) obtiveram-se os

espectros de emissão com λ

= 240 nm. Os espectros apresentaram uma banda com as

maiores intensidades de fluorescência deslocadas para maiores comprimentos de onda. A

fluorescência de ácidos húmicos em comprimentos de onda longos, como neste caso, é

associada a sistemas insaturados conjugados (hidrocarbonetos aromáticos condensados tipo

tetraceno de estrutura linear ou pirileno de estrutura cíclica), e/ ou a núcleos aromáticos

CE NPK M

4000

8000

12000

16000

20000

24000

465

0-10 cm

10-20 cm

20-40 cm

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 90

altamente substituídos por C=O e COOH (LUMB, 1978; SENESI, 1992; RIVERO et al.,

1998; OLK et al., 1999).

FIGURA 5.21 – Espectros de emissão de fluorescência de AH extraídos do solo, medidos com comprimento de

onda de excitação λ

= 240 nm. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a base de

nitrogênio, fósforo e potássio; M – solo de mata

300 400 500 600 700

100

150

200

250

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

NPK 0-10 cm

NPK 10-20 cm

NPK 20-40 cm

300 400 500 600 700

100

150

200

250

300

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

M 0-10 cm

M 10-20 cm

M 20-40 cm

300 400 500 600 700

100

150

200

250

300

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

CE 0-10 cm

CE 10-20 cm

CE 20-40 cm

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 91

A proposta de ZSOLNAY et al., (1999) é que, se as moléculas fluorescentes tornam-se

mais condensadas tenderão a exibir um deslocamento sobre comprimentos de onda maiores.

A partir da excitação de diferentes amostras com radiação ultravioleta em 240 nm, foi

possível observar no espectro de emissão da matéria orgânica dissolvida, um deslocamento

para comprimentos de ondas maiores, demonstrando progresso no processo de humificação.

Deste modo, segundo ZSOLNAY et al., (1999) a área sobre o último quarto da emissão (562-

650 nm) dividido pela área do primeiro quarto (300-387 nm), denominado A

, pode ser

usada como índice de humificação.

Na Figura 5.22 são apresentados os índices de humificação, A

, obtidos segundo

metodologia de ZSOLNAY et al., (1999) para as amostras de AH.

FIGURA 5.22 – Índice de humificação, A

, obtido segundo metodologia de ZSOLNAY et al., (1999) para os

AH extraídos do solo. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a base de nitrogênio,

fósforo e potássio; M – solo de mata

As amostras de AH dos solos sob cultivo (CE e NPK) apresentaram o mesmo

comportamento ao longo do perfil do solo, com valores de A

semelhantes. Segundo a

metodologia de ZSOLNAY et al., (1999) as amostras de AH extraídos do solo de mata

apresentaram caráter menos humificado do que as demais analisadas.

CE NPK M

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

/ A

0-10 cm

10-20 cm

20-40 cm

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 92

5.3.2.4.2 – Modalidade Sincronizada

O espectro de varredura sincronizada, medida com diferença constante entre excitação

e emissão (∆λ = 55 nm), permitiu avaliar o grau de humificação através da metodologia

proposta por KALBITZ et al., (2000). De acordo com essa proposta, os espectros de

fluorescência sincronizados das substâncias húmicas apresentam dois picos, um em torno de

360 e outro em 465 nm, e um ombro em torno de 470 nm. Esses picos podem apresentar

deslocamento no máximo de intensidade de fluorescência de menores para maiores

comprimentos de onda, o que está associado com um aumento no número de núcleos

aromáticos altamente substituídos e/ ou com um sistema conjugado insaturado capaz de exibir

alto grau de ressonância. Então, a razão da intensidade de fluorescência em 400 e 360 nm, ou

470 e 360 nm pode ser usada para medir o grau de humificação das substâncias húmicas.

Nos espectros da Figura 5.23, identificaram-se os dois picos médios, um em 456 e

outro em 374 nm, os quais foram usados na determinação do índice de humificação, medindo-

se a razão I

456

/ I

374

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 93

FIGURA 5.23 – Espectros de varredura sincronizada de AH extraídos do solo, medidos com diferença de

comprimento de onda de emissão e excitação ∆λ = 55 nm. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com

adubação mineral a base de nitrogênio, fósforo e potássio; M – solo de mata

300 350 400 450 500

120

160

200

240

280

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

CE 0-10 cm

CE 10-20 cm

CE 20-40 cm

300 350 400 450 500

120

160

200

240

280

320

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

NPK 0-10 cm

NPK 10-20 cm

NPK 20-40 cm

300 350 400 450 500

120

160

200

240

280

Intensidade de fluorescência (u.a.)

Comprimento de onda (nm)

M 0-10 cm

M 10-20 cm

M 20-40 cm

Capítulo 5 – Resultados e Discussão 94

FIGURA 5.24 – Índice de humificação, I

456

374

, obtido segundo metodologia de KALBITZ et al., (2000) para os

AH extraídos do solo. CE – solo adubado com efluente; NPK – solo com adubação mineral a base de nitrogênio,

fósforo e potássio; M – solo de mata

De forma semelhante ao observado pelas metodologias de MILORI et al., (2002) e

ZSOLNAY et al., (1999), o índice de humificação I

456

374

, mostrou que as amostras de AH

dos solos CE e NPK apresentaram o mesmo comportamento, revelando o mesmo índice de

humificação (Figura 5.24).

A análise de correlação mostrou que os índices de humificação A

e I

456

374

apresentaram boa correlação (R: 0,9249) enquanto que para o índice A

465

obtiveram-se

valores de R inferiores a 0,900, conforme pode ser visto na Figura 5.25.

FIGURA 5.25 – Correlação entre as metodologias de fluorescência propostas para avaliar o índice de

humificação das substâncias húmicas: A. MILORI e ZSOLNAY; B. ZSOLNAY e KALBITZ e C. MILORI e

KALBITZ

CE NPK M

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

456

/ I

374

0-10 cm

10-20 cm

20-40 cm

10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

465

R: 0,8772

P: 0,0020

10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

456

/ I

374

465

R: 0,7759

P: 0,0140

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

456

/ I

374

R: 0,9249

P:<0,0000

________________________________________________________________________95

–

Os resultados obtidos mostraram que o efluente gerado pelo sistema da fossa séptica

biodigestora apresentou composições variáveis, considerando as diferentes coletas e o tipo de

inoculante utilizado.

A análise elementar e teor de cinzas indicaram não haver diferenças no percentual dos

elementos que possa ser atribuída aos inoculantes bovino /ovino. O teor de cinzas observado

para as amostras das três caixas do sistema foi alto, indicando que o material da Fossa Séptica

Biodigestora possui uma fração mineral significativa. Esta fração mineral foi avaliada

somente para o material da terceira caixa e revelou que, de fato, o efluente possui quantidades

significativas de nutrientes que podem ser disponibilizados para as plantas. Também foram

encontrados altos teores de Na em relação aos teores de nutrientes, no entanto, não foram

observados efeitos de salinização no solo.

A análise da matéria orgânica do efluente por métodos espectroscópicos indicou não

haver diferenças em sua composição com relação ao inoculante usado. No processo de

biodegradação ao longo do sistema da fossa séptica biodigestora observou-se que não

ocorreram alterações significativas na composição dos grupos funcionais da matéria orgânica

do efluente. O efluente possui caráter bastante alifático e ao ser incorporado no solo, observa-

se que modifica a matéria orgânica do solo.

A adição do efluente ao solo provocou modificação em suas propriedades físico-

químicas. Foi observado um aumento no pH do solo, ocasionado em função do caráter

alcalino e da ação da matéria orgânica do efluente. A análise de condutividade elétrica do

extrato do solo mostrou que a adição do efluente não provocou efeitos de salinização no solo,

visto que as concentrações de sais no efluente são altas.

Foi possível observar que a adição do efluente ao solo após 3 anos de aplicação,

provocou significativas alterações na parte húmica da matéria orgânica do solo.

A análise elementar dos AH revelou que as amostras extraídas do solo CE

apresentaram maior grau de saturação que os demais solos analisados, em função do caráter

alifático da matéria orgânica do efluente que foi incorporada ao solo.

Capítulo 6 – Conclusões 96

Os espectros de FTIR obtidos são típicos para AH. Neles as principais bandas estão

associadas a grupos hidroxilas, alifáticos, carboxilatos, carbonila e amina. Os espectros não

mostraram diferenças significativas para os três solos analisados.

Os resultados obtidos através da RPE e RMN de

C indicaram uma diminuição no

índice de humificação das amostras de AH do solo CE comparado ao solo com adubação

NPK, nas camadas de 0-10 e 10-20 cm.

A reutilização do efluente, além de ser uma alternativa mais adequada sob o aspecto

ambiental também é muito útil do ponto de vista agrícola, pois este demonstrou ser uma fonte

de macro e micronutrientes para as plantas, além de matéria orgânica para o solo. As técnicas

químicas e espectroscópicas mostraram que o benefício proporcionado pela adição de efluente

ao solo, mesmo em um experimento de curta duração, pode ser significativo.

–

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