BR102020002172A2 - Potencializador de fotossíntese baseados em nanopartículas híbridas de carbono, seu processo de obtenção e seu uso como nanobioestimulantes e nanofertilizantes em cultivos agrícolas - Google Patents

Abstract

potencializador de fotossíntese baseados em nanopartículas híbridas de carbono, seu processo de obtenção e seu uso como nanobioestimulantes e nanofertilizantes em cultivos agrícolas. a presente invenção situa-se no campo da agroquímica. trata-se da elaboração de nanocompósitos baseados em carbon-dots, com propriedades luminescentes e de carreamento de nutrientes, que quando aplicado via foliar e/ou radicular na planta potencializam a fotossíntese, além de serem capazes de promover respostas fisiológicas de melhoria no desenvolvimento e na produtividade. tais respostas são típicas de materiais classificados na literatura como bioestimulantes e/ou biofertilizantes.

Description

POTENCIALIZADOR DE FOTOSSÍNTESE BASEADOS EM NANOPARTÍCULAS HÍBRIDAS DE CARBONO, SEU PROCESSO DE OBTENÇÃO E SEU USO COMO NANOBIOESTIMULANTES E NANOFERTILIZANTES EM CULTIVOS AGRÍCOLAS CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção situa-se no campo da agroquímica. Trata-se da elaboração de nanocompósitos baseados em Carbon-dots, com propriedades luminescentes e de carreamento de nutrientes, que quando aplicado via foliar e/ou radicular na planta potencializam a fotossíntese, além de serem capazes de promover respostas fisiológicas de melhoria no desenvolvimento e na produtividade. Tais respostas são típicas de materiais classificados na literatura como bioestimulantes e/ou biofertilizantes.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] O constante crescimento populacional, concomitantemente com uma urbanização desenfreada, tem pressionado a agricultura e outros setores produtivos para superar o desafio do aumento da demanda de alimentos, produção sustentável em zonas agrícolas limitadas, com diminuição da força de trabalho rural e adaptada a mudanças climáticas (JAGGARD; QI; OBER, Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2010).

[003] De acordo com a Organização das Nações Unidas (ONU), a população mundial ultrapassará a marca de 9 bilhões em 2050, e será necessário aumentar a produção de alimentos em 50-70%. Em paralelo, as demandas por água e energia crescerão proporcionalmente (KEATING et al., Global Food Security, 3, 125-132, 2014).

[004] A Organização dos Alimentos e da Agricultura dos Estados Unidos (FAO) tem demonstrado sérias preocupações à luz do esgotamento e degradação dos campos agrícolas, à redução drástica das fontes de água e seus efeitos na segurança alimentar e preservação do ecossistema.(PRASAD; BHATTACHARYYA; NGUYEN, Frontiers in microbiology, 8, 1014, 2017). Por exemplo, a demanda por cereais, tanto para alimentos quanto para ração animal, pode chegar a 3 bilhões de toneladas até 2050, acima dos atuais 2,1 bilhões (KEATING et al., Global Food Security, 3, 125-132, 2014).

[005] Este cenário pessimista estimula um esforço mundial para o desenvolvimento de formas alternativas de atender à crescente demanda global por alimentos, energia e água, sem aumentar a pressão sobre os recursos naturais (MUELLER et al., Nature, 490,254–257, out. 2012).

[006] A agricultura é historicamente o setor mais estável e importante que, ao longo de vários séculos, tem sido responsável pelo fornecimento de matérias-primas para as indústrias de alimentos e rações. Com a Revolução Verde de 1960, o suprimento global de alimentos tem aumentado enormemente, porque a agricultura se beneficia de uma diversidade de inovações tecnológicas introduzidas pelos setores de biotecnologia e química. No entanto, a alta dependência de pesticidas e fertilizantes sintéticos após a Revolução Verde levou a um impacto negativo sobre o ecossistema e a saúde pública (EUROPEAN PUBLIC HEALTH ALLIANCE, Agriculture and Public Health: Impacts and pathways for better coherence 2016).

[007] O uso abusivo de pesticidas e fertilizantes contribui para contaminação de ecossistemas, bem como para a eutrofização do ambiente aquático e solos (TILMAN et al.,Nature, 490, 254-257, 2002; BHAT, Asia Pacific Journal of Clinical Nutrition, 17, 91-94, 2008). Os resíduos de pesticidas já foram encontrados em fontes de água doce,(ALBUQUERQUE et al., Environmental science. Processes & impacts,18, 779–787, 2016) frutas, produtos processados, (CABRAS, ANGIONI, J. Agric. Food Chem. 48, 967-973 2000) e até mesmo no leite materno humano, (BEDI et al., Science of The Total Environment, 463–464, 720–726, 2013).

[008] Martin e colaboradores (2018) observaram a associação entre o câncer e a exposição a pesticidas e defendem que os pesticidas podem desempenhar um papel significativo na etiologia da neoplasia maligna do câncer de cólon, sendo necessário o monitoramento do nível de exposição da população aos resíduos de pesticidas (Martin et al., Chemosphere 209, 623–631, 2018).

[009] Além do uso de pesticidas, uma outra prática agrícola que contribui para a degradação do solo são os sistemas de irrigação. Atualmente, quase metade da produção agrícola é proveniente de campos agrícolas irrigados. Essa prática comum pode contribuir para a acidificação dos solos, aceleração da taxa de extração de minerais no solo ou formação de sal, fatores que resultam em um eventual abandono desses campos (PRESLEY et al., Soil Science Society of America Journal, 68, 1916–1926 2004).

[010] Dessa forma, o desenvolvimento de técnicas agrícolas sustentáveis vem ganhando destaque, e nesse contexto, a nanotecnologia surge como uma solução potencial para superar os inconvenientes da agricultura convencional, uma vez que seria capaz de aumentar a produtividade, reduzindo simultaneamente o impacto ambiental (BHATTACHARYYA; NGUYEN, Frontiers in microbiology, 8, 1014, 2017).

[011] Nos últimos anos, tem sido observada uma inserção gradual de nanomateriais na agricultura para fertilizantes de liberação controlada, pesticidas e herbicidas, sensores e germinação e crescimento de plantas (GOGOS; KNAUER; BUCHELI, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 60, 9781–9792 2012; VISHWAKARMA et al., Nanomaterials in Plants, Algae, and Microorganisms, 1, 473–500, 2017; MULLEN, Nature Nanotechnology, 14, 515-516 2019). Vários relatórios mostraram a tendência crescente de publicações científicas e patentes na nanotecnologia agrícola, especialmente para o manejo de doenças e proteção de cultivos (FRACETO et al., Frontiers in Environmental Science, 4, 20 2016). Além disso, os nanomateriais já são usados para fins de melhoramento de plantas e engenharia genética (AMENTA et al., Regulatory Toxicology and Pharmacology, 73, 463–476 2015).

[012] Diversos estudos abordaram o papel benéfico da nanotecnologia no setor agrícola de várias maneiras (KUMAR et al., Journal of Environmental Science and Technology, 16, 2175-2184 2019). Em recente relato, foi destacado as vantagens e limitações dos nanofertilizantes inorgânicos para a indústria, bem como a forma eficaz e eficiente de aplicar nanofertilizantes e avaliou o retorno econômico (RALIYA et al., Metallomics, 7, 1584–1594, 2018).

[013] Apesar disso, a utilização de nanotecnologia em aplicações agrícolas ainda é marginal em comparação com outros setores industriais (CHANDRIKA et al.,Nanotechnology Prospects and Constraints in Agriculture, 159-186, 2018). A exploração concreta da nanotecnologia na agricultura possui gargalos que precisam ser resolvidos a fim de garantir a segurança da população. Outras razões que restringem a nanotecnologia na agricultura e no desenvolvimento de alimentos são as questões regulatórias e a opinião pública (FRACETO et al., Frontiers in Environmental Science, 4, 20 2016).

[014] Ademais, a maioria dos estudos envolvendo a utilização de nanofertilizantes tem se concentrado na entrega de micronutrientes (zinco, cobre, ferro, manganês), enquanto a entrega inteligente de macronutrientes (potássio, nitrogênio, potássio, enxofre, cálcio e magnésio) tem sido negligenciada (RALIYA et al., Metallomics, 7, 1584–1594, 2018).

[015] Dentre as nanoestruturas já utilizados no setor agropecuário, nanomateriais inorgânicos (óxido metálico e nanopartículas metálicas NP) representam 55% da aplicação total desse setor, enquanto nanoencapsulados representam 26%, nanocompósitos correspondem a 7% e nanomateriais à base de carbono (nanotubos de carbono, carbono preto e fulereno) são explorados em apenas 6% das tecnologias relatadas (PETERS et al., Trends in Food Science & Technology, 54, 155–164 2016).

[016] As nanopartículas metálicas também podem ser usadas para o controle de doenças de plantas e tolerância ao estresse. Nanopartículas de prata, por exemplo, apresentaram excelentes resultados contra vários patógenos de plantas apontando para possibilidades promissoras na agricultura (WORRALL et al. Agronomy, 8, 258, 2018). Porém, estudos mostram que esses nanomateriais podem apresentar bioacumulação e transferência trófica de granulados e nanopartículas do solo pela cadeia alimentar (Figura 1), (DE LA TORRE ROCHE et al., Environmental Science and Technology, 49, 11866–11874, 2015; UNRINE et al., Environmental Science and Technology, 46, 9753–9760, 2012; RALIYA et al., Metallomics, 7, 1584–1594, 2018) e, além disso, podem induzir alteração no equilíbrio da biota do solo (GE; SCHIMEL; HOLDENA, Applied and Environmental Microbiology, 78, 6749–6758, 2012).

[017] A bioacumulação ambiental e humana de resíduos nanoagroquímicos é um problema a ser resolvido, uma vez que, aumentará com a gradual inserção desses aditivos na cadeia produtiva sendo necessário levar em consideração todos os níveis em que estes resíduos podem ser encontrados e determinar os parâmetros de segurança para esses insumos, garantindo impacto ambiental mínimo.

[018] Nesse contexto, a presente invenção supera as tecnologias que utilizam nanopartículas metálicas uma vez que é baseada em nanopartículas de carbono, Carbon-dots, que são totalmente metabolizadas pela planta e não sendo transferidas dentro da cadeia alimentar, ou seja, não há transferência trófica.

[019] Além disso, as nanopartículas metálicas têm efeito sobre os micro-organismos do solo. Ge e colaboradores (2012) avaliaram o efeito de nanopartículas de TiO2 e ZnO na comunidade bacteriana do solo por meio de análise de impressões digitais baseada em DNA (GE; SCHIMEL; HOLDENA, Applied and Environmental Microbiology, 78, 6749–6758, 2012). Os resultados obtidos mostraram que estes materiais induziram alteração no equilíbrio da biota do solo. Foi observada a redução das populações de Rhizobiales, Bradyrhizobiaceae e Bradyrhizobium (bactérias fixadoras de nitrogênio) e impacto positivo nas populações de Sphingomonadaceae e Streptomycetaceae (GE; SCHIMEL; HOLDENA, Applied and Environmental Microbiology, 78, 6749– 6758, 2012).

[020] Nessa perspectiva, os nanomateriais de carbono emergem como promissores para o desenvolvimento de uma alternativa agrícola sustentável, uma vez que, apresentam baixa toxicidade, são biocompatíveis e não são bioacumuláveis. Os nanomateriais de carbono mostraram efeitos benéficos na germinação de sementes e no aumento do crescimento das plantas e a atuam como fertilizantes.(ZHENG et al., ACS Omega, 2, 3958–3965, 2017).

[021] Carbon-dots é uma classe de nanopartículas esferoidais paracristalinas, com dimensões menores que 10 nm, que são compostos de um domínio poliaromático altamente ordenado (núcleo) coberto por uma borda de carbono amorfo (CHOI et al., Chemistry - An Asian Journal, 13, 586-598, 2018). O Carbon-dots foram primeiramente isolados em 2004 durante o processo de purificação de nanotubos de carbono de paredes simples (XU et al. Journal of the American Chemical Society, 120, 12737-12737, 2004).

[022] No Estado da Técnica são descritos alguns processos de preparação de Carbon-dots.

[023] Liu e colaboradores (2016) utilizam o método eletroquímico para a síntese de Carbon-dots, utilizando eletrodos de grafite como fonte de carbono (LIU et al., Analyst, 141, 2657-2664, 2016). Os pesquisadores utilizam hastes de grafite como cátodo e ânodo em uma célula eletroquímica com hidróxido de sódio/etanol como solução eletrolítica. A passagem de corrente através do circuito eletroquímico resulta na formação de lascas das hastes de grafite produzindo Carbon-dots com diferentes características de luminescência (variados comprimentos de onda). Como os Carbon-dots obtidos pelos autores são polidispersos, as diferenças no comportamento luminescente podem ser atribuídas ao tamanho variado e aos distintos defeitos superficiais. Outra desvantagem do método é o baixo rendimento dos produtos, elevado custo das hastes de grafite e a necessidade de uma etapa de purificação. Importante destacar que os aspectos mencionados acima inviabilizam a exploração comercial do Carbon-dots obtidos por eletrólise.

[024] A rota eletroquímica também foi descrita,(RAMILA DEVI; VIGNESH KUMAR; SUNDRAMOORTHY, Journal of the Electrochemical Society, 165, G3112–G3119, 2018) propondo variações na composição da solução eletrolítica a fim de alcançar outras propriedades. Contudo uma evidente limitação no método eletroquímico é a ampla distribuição de tamanho de partículas e a morfologia que ao término da síntese em geral se faz necessária uma posterior separação e purificação do material obtido (RAMILA DEVI; VIGNESH KUMAR; SUNDRAMOORTHY, Journal of the Electrochemical Society, 165, G3112–G3119, 2018).

[025] A fuligem gerada em inúmeros processos reacionais envolvendo fontes de carbono, como combustão ou queima, também tem sido utilizada como precursora para síntese de Carbon-dots. Esses materiais/subprodutos foram colocados em sistemas de refluxo com ácidos concentrados (como ácido nítrico) e em seguida as nanopartículas menores formadas foram separadas (LIU et al., Angewandte Chemie, 46, 6473- 6475, 2007). A forte característica oxidante do ácido é crucial para dissolver agregados de carbono da fuligem; o ácido posteriormente reage com os coloides de carbono formados para produzir grupos superficiais ricos em oxigênio e nitrogênio e defeitos que contribuem com as características de emissão fluorescente das partículas. Todavia as técnicas baseadas em materiais como fuligem ou subprodutos ricos em carbono apresentam baixo rendimento na síntese de Carbon-dots e formam grande quantidade de resíduos tóxicos.

[026] O tratamento hidrotermal de fontes de carbono se tornou o procedimento mais comum para a produção de Carbondots. Esta abordagem possibilita a geração de nanopartículas de uma variedade de fontes tais como moléculas e resíduos (DE YRO et al., AIP Conference Proceeddings, 2083, 0200007, 2019).

[027] O cerne da síntese hidrotermal é a formação de Carbon-dots em um processo que se inicia a altas temperaturas e promove a nucleação/condensação de moléculas ricas em carbono que funcionam como blocos de construção para a formação de um núcleo grafítico. Outra característica importante do esquema de síntese hidrotermal é que alguns resíduos dos reagentes utilizados ricos em carbono são mantidos sobre a superfície do núcleo grafítico, concedendo assim uma variedade de partículas com funcionalidades e propriedades ópticas controláveis (WANG et al., Analytical Methods, 10, 2775–2784, 2018).

[028] Em contraposição aos métodos anteriormente apresentados, a rota hidrotermal apresenta partículas com distribuição de tamanho estreita e uniformidade no comportamento luminescente, contudo os fatores limitantes dessa técnica incidem no tempo de síntese geralmente elevado e no baixo rendimento que é condicionado pela utilização de sistemas que controlam a pressão interna.

[029] De Medeiros e colaboradores (2019) obtiveram os Carbon-dots utilizando rota hidrotérmica assistida com micro-ondas. A radiação micro-ondas substitui a fonte de calor usada no método hidrotérmico convencional. Os Carbondots gerados utilizando micro-ondas possuem alta luminescência tanto em solução quanto em fase sólida. O tempo de síntese é bastante reduzido, uma vez que a quantidade de energia dispendida ao longo do processo é bastante elevada e pode ser controlada no próprio equipamento. As partículas formadas possuem características semelhantes às obtidas por via hidrotermal, contudo os rendimentos da reação são reduzidos e limitados à robustez dos acessórios utilizados para a síntese (DE MEDEIROS et al., Journal of Materials Chemistry C,7, 7175–7195, 2019). Todos esses aspectos dificultam a produção em larga escala de Carbon-dots por reação hidrotermal.

[030] Carbonização em alta-temperatura para fabricação de Carbon-dots tem sido realizada em solventes diferentes da água. Pesquisadores do Max-Planck Institut for Polymerforschung mostraram que o tratamento térmico de fonte de carbono como ácido cítrico disperso em solvente não coordenado, como por exemplo os solventes orgânicos octadeceno e 1-hexadecilamina, produzem Carbon-dots de elevada luminescência (WANG et al., Chemistry of Materials, 22, 4528–4530, 2010). Em contrapartida os resíduos de síntese se tornam um empecilho para o aumento da produção de Carbon-dots nestas condições.

[031] As técnicas anteriormente mencionadas, apesar de eficazes na produção de Carbon-dots, compartilham impedimentos no que diz respeito a produção de elevada quantidade de material com características uniformes e selecionáveis. Até mesmo aquelas que possuem elevado rendimento de síntese enfrentam dificuldades de reprodutibilidade e qualidade do material formado, como é o caso dos processos eletroquímicos e hidrotérmicos. Importante destacar que o método proposto pela presente invenção permite a produção em larga escala de Carbon-dots se difere dos previamente reportados por não utilizar o método hidrotermal, reagentes tóxicos e produzir resíduos. Nesta invenção, a produção dos Carbon-dots ocorre via reação de fluxo contínuo, em circuito fechado que garante reprodutibilidade e altos rendimentos de reação. O método proposto reutiliza toda água, reaproveita os resíduos e não gera gases de efeito estufa.

[032] Além da técnica de obtenção dos Carbon-dots, é importante ressaltar que a exploração de Carbon-dots em meios biológicos requer atenção, pois a matéria-prima e as condições de sintéticas são fatores que influenciam na composição da superfície, funcionalidade e na atividade biológica.

[033] Alguns exemplos demostram que métodos hidrotermais resultam em Carbon-dots que contém em suas superfícies fragmentos da molécula precursora. Por exemplo, no documento reportado por Zhao e colaboradores (2017) Carbondots produzidos pela pirólise de óleo de gema de ovo apresentam atividade anti-hemorrágica similar ao fármaco Hemocoagulase (Zhao, Y., Zhang, Y., Liu, X. et al. Scientific Report, 7, 4452, 2017).

[034] No documento patentário CN103980894A, Carbon-dots produzidos a partir de ácido fólico por rota hidrotermal foram capazes de reconhecer seletivamente células tumorais por interagirem especificamente com proteínas de membrana plasmática que interagem com ácido fólico (Receptores Folatos). Os respectivos Carbon-dots apresentaram todas as características morfológicas e físico-químicas similares a outras nanopartículas produzidas a partir de outros precursores. No entanto, a presença de fragmentos de ácido fólico na superfície os torna únicos e passivos de proteção patentéria.

[035] Em outro exemplo, Carbon-dots produzidos a partir da pirólise de membrana de ovos de galinha foram capazes de reconhecer seletivamente fragmentos de DNA e RNA (Pramanik et al. PCCP,20, 20476, 2018). Vale destacar que Carbon-dots produzidos pela pirólise de outras fontes de carbono não apresentam essa capacidade seletiva de reconhecer ácidos nucleicos.

[036] Na publicação internacional WO/2018/160142 Carbondots produzidos a partir da condensação do polioxietileno em condições ácidas resultou em um nanomaterial com propriedades antibióticas e foram incorporados em um filme polimérico inerte. Mais uma vez, as características morfológicas e físico-químicas são similares aos de Carbondots produzidos por outras fontes de carbono, porém, as propriedades da superfície das partículas resultaram em atividade biológica específica que permitiram sua proteção.

[037] Dessa forma, embora os aspectos físico-químicos e morfológicos sugiram que os Carbon-dots em geral sejam apenas esferas de carbono, o processo sintético e a fonte de carbono influenciam a composição da superfície e as propriedades biológicas dos Carbon-dots.

[038] O uso de Carbon-dots em agricultura como fertilizantes foi proposto no documento publicado por Zheng e colaboradores (2017) que relata o uso de pólen como precursor das nanopartículas (ZHENG et al., ACS Omega, 2, 3958–3965, 2017)). Os testes foram feitos em alface hidropônico e mostram que as plantas tratadas com 20 mg∙L-1 de solução apresentam crescimento de cerca de 50%. Os resultados não sugerem interação seletiva com proteínas com proteínas ou enzimas responsáveis por crescimento das plantas. Os autores propõem meramente o uso de Carbon-dots como fertilizantes.

[039] No trabalho publicado por Li e colaboradores (2018) cinco Carbon-dots produzidos a partir da eletróloise de grafite apresentaram composição de superfície únicas e respostas distintas em arroz (LI et al., ACS, Applied Biomaterilas, 1, 663-672, 2018).

[040] Foram descritas diferenças significativas nas atividades de crescimento da planta entre as partículas indicando comprovando que embora os tamanhos e características físico-químicas sejam similares cada partícula apresenta características únicas. Ainda, foi observado que os Carbon-dots sintetizados interagiram com o material genético da planta, promovendo a expressão do gene de crescimento Os06g32600. Também foi observado que o C-dot interagiu com a proteína RuBisCo, que é responsável pela fixação do CO2 do ar (LI et al., ACS, Applied Biomaterilas, 1, 663-672, 2018).

[041] Por todos estes fatores previamente citados, a presente invenção supera as outras tecnologias por se tratar de Carbon-dots com características específicas que mimetizam a respostas similares aos de fitohormônios que interagem especificamente com proteínas de membrana plasmática e foram obtidos por um processo sintéticos organocatalizados desenvolvidos exclusivamente para promover um crescimento acelerado de plantas e transportar macro e micronutrientes diretamente para dentro das células das plantas.

[042] Os Carbon-dots descritos na presente invenção atuam como bioestimulantes, potencializando a absorção de nutrientes, melhorando o uso de água pela planta, e aumentando as taxas de fotossíntese, uma vez que, mantém estômatos abertos por mais tempo e promovem crescimento acelerado das culturas testadas.

[043] A atividade biológica dos Carbon-dots aqui propostos são únicas e sugerem que a atuação das partículas no metabolismo plantas das partículas se dá a nível molecular similar a fitohormônios como Auxinas, Guiberlinas e Citocininas e outros.

[044] Isto posto, o Estado da Técnica não prevê o desenvolvimento de bioestimulantes com atividade mimética de fitohormonios que ativam a proteína de membrana plasmática H-ATPase, como apresentado na presente invenção.

DESCRIÇÃO SUCINTA DAS FIGURAS

[045] A invenção poderá ser mais bem compreendida com base nas Figuras de 1 a 19, cuja descrição segue abaixo:

[046] A Figura 1 ilustra o processo de eutrofização de cadeia alimentar por nanopartículas metálicas e de óxidos metálicos.

[047] A Figura 2 apresenta o esquema de produção do bioestimulante a partir do método desenvolvido.

[048] A Figura 3 apresenta o espectro de infravermelho com transformada de Fourier dos Carbon-dots sintetizados pelo método desenvolvido.

[049] A Figura 4 apresenta formação dos Carbon-dots e manutenção dos grupos superficiais oriundos dos precursores da síntese.

[050] A Figura 5 apresenta os espectros de absorção na região do UV-Vis e de emissão sob excitação no intervalo de 360nm a 620nm dos Carbon-dots.

[051] A Figura 6 apresenta o espectro de Absorção da clorofila a e b.

[052] A Figura 7 apresenta em A, o espectro de XPS e a composição do bioestimulante contando os macronutrientes Nitrogênio, Fósforo e Potássio (N, P, K). Em B, espectro de alta resolução do Fósforo. Em C as imagens de microscopia e eletrônica de transmissão de alta-resolução (HRTEM) e em D a distribuição do diâmetro das partículas.

[053] A Figura 8 apresenta o Potencial zeta () e diâmetro hidrodinâmico em função do volume de solução nutritiva (mL) adicionados em um volume de 10 ml de Carbondots com concentração de 50 mg/L.

[054] A Figura 9 apresenta a distribuição das plantas P1(branco) e P2 (azul) nos quatro blocos.

[055] A Figura 10 apresenta as distribuições amostrais do grupo P1 tratado com Carbon-dots em diferentes concentrações após 17 dias (A), 28 dias (B), 42 dias (C) e 56 dias (D) do início do tratamento.

[056] A Figura 11 apresenta as distribuições amostrais do grupo P2 tratado com Carbon-dots em diferentes concentrações após 17 dias (A), 28 dias (B), 42 dias (C) e 56 dias (D) do início do tratamento.

[057] A Figura 12 apresenta a distribuição dos tratamentos na casa de vegetação dos grupos B1, B2, B3 e B4.

[058] A Figura 13 apresenta o efeito do tratamento com Carbon-dots, em diferentes concentrações, sobre a taxa fotossintética, a direita, e sobre a eficiência do uso de água, a esquerda para os blocos B1 e B2 de tomate ‘Finestra’.

[059] A Figura 14 apresenta o efeito do tratamento com Carbon-dots, em diferentes concentrações, sobre a taxa fotossintética, a direita, e sobre a eficiência do uso de água, a esquerda para os blocos B3 e B4 de tomate ‘Finestra’.

[060] A Figura 15 apresenta efeito do tratamento com Carbon-dots, em diferentes concentrações, sobre a eficiência do uso de água em cultivos hidropônicos de alface.

[061] A Figura 16 apresenta o efeito da concentração de Carbon-dots na massa seca de raiz de mudas de milho (RDM).

[062] A Figura 17 ilustra o sistema de cultivo de milho em vasos Leonards, com aplicação de Carbon-dots via solução nutritiva.

[063] A Figura 18 apresenta o efeito da concentração de 100 mg/L de Carbon-dots na fotossíntese líquida (A), na condutância estomática (B), na transpiração (C) e na eficiência do uso da água (D).

[064] A Figura 19 apresenta a porcentagem de aumento ou redução de nutrientes em plantas de milho usando solução de Hoagland com Carbon-dots.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[065] A presente invenção refere-se à potencializador de fotossíntese carbonáceo com propriedades fotoluminescentes (Carbon-dot) para ser utilizado como bioestimulante e biofertilizante, uma vez que quando aplicado por via foliar ou radicular pode desencadear respostas fisiológicas que melhoram o desenvolvimento da planta. Essas respostas fisiológicas são observadas nas variáveis fotossintéticas, nas características radiculares do vegetal bem como também na absorção de micro e macro nutrientes essências para o ciclo de desenvolvimento.

[066] Além disso, o produto da presente invenção apresenta elevada solubilidade em água e biodegradabilidade, é um material totalmente metabolizado pelas plantas, por isso, não é bioacumulativo, seu uso reduz o impacto adverso da transferência trófica de nanopartículas convencionais na cadeia alimentar, e não é tóxico e, por esse motivo, reduz o impacto ambiental em relação à contaminação do solo e água quando comparado aos agroquímicos convencionais, o que lhe confere maior potencial de aplicação como insumo agrícola.

[067] Os nanomateriais produzidos funcionam como fonte de carbono orgânico e atuam como carreadores de micro e macronutrientes ancorados em sua estrutura. Durante o processo de síntese buttom-up controla-se o tamanho dos nanomateriais e controla-se a ativação dos sítios ativos em sua estrutura. Através do conhecimento da engenharia de superfície constrói-se esses sítios ativos que ficam propícios a receber os nutrientes e/ou os estimulantes que serão entregues com maior eficiência para os mais diversos tipos de cultivo agrícolas, devido a bioafinidade das plantas com o nanocomposto e a facilidade em metabolizá-los.

[068] Os nanomateriais apresentados nessa tecnologia são obtidos pelo método em fluxo usando associação de reatores conforme demonstra a Figura 2. Para melhor acondicionamento após o processo de síntese o material é submetido a mais uma operação a secagem.

[069] Um das modalidades das presente invenção referese ao processo de obtenção do Carbon-dots, que trata de um método versátil por permitir a utilização de diferentes matrizes ricas em carbono como material de partida, tais como glutaminas, ácidos orgânicos, ácido cítrico, ácido tartárico, ácido oléioco, ácido málico, ácido fumárico, ácido isocítrico, amido de milho, pode-se trabalhar também com co-processamento usando fontes alternativas que consigam fornecer uma composição adequada dos reagentes, compostos com os mesmos grupos funcionais e cadeias curtas, sendo preferencialmente ácido cítrico e tartárico.

[070] O método proposto é um processo rápido comparado com a rota convencional (rota hidrotermal), pois no método proposto não se necessita de um tempo grande de estabilização como na rota hidrotermal para iniciar o processo de carbonização e crescimento das partículas, trata-se também de um método, econômico pois pode ser produzido em processo contínuo. Utiliza-se água como solvente e não se gera resíduos tóxicos de síntese ao término do processo.

[071] O método usado na síntese dos Carbon-dots consiste em um processo que envolve transformação físico-química. A rota utilizada é considerada quimicamente verde, pois utiliza água como solvente e não gerar resíduos tóxicos oriundos da síntese.

[072] De forma geral, tal modalidade pode ser compreendida por meio do processo de obtenção dos Carbondots que consiste de reações químicas catalisadas e processos em fluxo.

[073] As nanopartículas são obtidas a partir de diferentes fontes de carbono, podendo ser utilizados ácido cítrico, glicose, aminoácidos e resíduos agrícolas, tais como cascas de frutos, bagaços e excremento de animais, sendo preferencialmente o ácido cítrico, devido à reação de neutralização parcial ácido-base em que uma solução básica, fonte de grupo funcional hidroxila, é utilizada para formação do sal dos ácidos e contribui para a formação de diversos pontos de nucleação por meio da repulsão eletrostático induzida pelos íons (OH-) em solução. As bases utilizadas podem ser hidróxido de cálcio, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de amônio, anilina, metalamina, uréia e tiouréia, sendo preferencialmente o hidróxido de amônio.

[074] São preparadas uma solução ácida, fonte de carbono, e uma solução básica, fonte de grupo funcional, e colocada no sistema de fluxo.

[075] Com o uso de uma bomba dosadora e uma válvula, essas soluções são dosadas em um misturador, que em seguida apresenta outro vaso misturador região onde permite-se receber o reciclo e os dopantes (micro e macronutrientes ou estimulantes). Os reagentes após passar pelos misturadores são bombeados para um reator tubular tipo fluxo em pistão (PFR) que é dotado de uma válvula que restringe a saída do material, mantendo a pressão constante em seu interior evitando a vaporização dos reagentes, pois esse reator é aquecido faixa de 100 a 250 ºC, sendo preferencialmente a 150 ºC.

[076] O reator PFR deve possuir diâmetro reduzido apenas alguns milímetros e também ser construído de material com pouca rugosidade para reduzir a perda de carga durante o escoamento do material. Outro fator importante do processo é manter um regime de escoamento hidrodinâmico turbulento, tudo isso deve ser calculado pela equação do movimento Equação de Bernoulli, pois esse reator deve ser acomodado dentro de uma estufa para o aquecimento da mistura.

[077] Esse reator deve ser aquecido a temperatura entre 100 e 250 ºC, a depender da concentração do material usado, a pressão no interior do reator é controlada pela válvula de saída evitando que a solução entre em ebulição, a pressão irá variar de reação para reação a depender a densidade dos sais envolvidos. Essa pressão é elevada, por isso, o material de construção do reator deve suporta uma pressão de até 5 bar. O fluxo de material que sai desse primeiro reator, o tubular, descarrega em um reator tanque agitado contínuo (CSTR) que também está aquecido e possui agitação, o fluxo de saída desse reator passa por um sistema de separação, que funciona por diferença de densidade hidrociclone ou decantador que permite retirar o produto acabado pelo overflow e retorna a corrente de underflow para o refluxo.

[078] Se faz necessário, um refluxo do material até as condições ótimas de operação se estabelecerem. O produto formado tem densidade inferior a solução de sais precursora, por isso, o produto pode ser separado por esse princípio, retirando o sobrenadante e recirculando o material de fundo, inserindo antes do reator somando a corrente inicial dos reagentes. Até o processo de estabilização em que o material fica em refluxo dura entre 0,5 e 2 horas, sendo preferencialmente 1 hora, a partir desse período começa alterar a densidade do material e a formar o produto.

[079] Este processo apresenta rendimento de 95% (713 g após 2 horas de ciclo. Essa quantidade de material é suficiente para ser aplicado em 24 hectares.

[080] Esse produto pode ser armazenado líquido ou passar por um processo de secagem, no qual, o material expande sua área superficial, aumentando em aproximadamente 05 vezes o seu volume.

[081] A tecnologia para produção de Carbon-dots apresenta características de escalonamento que lhe permite uma factível transição para escala industrial sem impactos negativos na qualidade dos Carbon-dots formados. Testes realizados fazendo scale-up de 100 vezes a produção do Cdot produzido em bancada verificou-se a possível produção e manutenção das mesmas propriedades e qualidades. Sob uma demanda elevada de produção de baixo impacto ambiental, como requisitado na indústria de insumos agrícolas, esta tecnologia é disruptiva e coesa com as novas demandas de produção da atualidade.

[082] A versatilidade é também umas das principais características da plataforma de produção desenvolvida, uma que permite variação em sua composição e em suas propriedades com vistas a atender as demandas da cadeia produtiva.

[083] Os Carbon-dots obtidos por esse processo apresentam elevada solubilidade em água devido à presença de grupos hidrofílicos presentes nas moléculas precursoras da síntese como pode ser confirmado pelo espectro de infravermelho apresentado na Figura 3.

[084] Os grupos superficiais das nanopartículas possuem, além do caráter hidrofílico, potencial de complexação de íons em solução (Figura 4). Tanto os macronutrientes (potássio, nitrogênio, cálcio, fósforo, magnésio e enxofre), que possuem elevada demanda pelo vegetal, quanto os micronutrientes (manganês, boro, zinco, ferro, cobre, molibdênio e cloro), que possuem demanda em menor quantidade, podem ser adicionados no processo de preparação dos Carbon-dots quanto complexados pelos grupos superficiais após a síntese.

[085] Além disso, são materiais biodegradáveis, estas características lhes conferem maior potencial de aplicação como insumo agrícola.

[086] Assim sendo, outra modalidade da presente invenção refere-se ao uso da nanoformulação a base de Carbon-dots como potentes potencializadores de fotossíntese, bioestimulantes e biofertilizantes organominerais. A tecnologia apresentada neste documento é totalmente atóxica, biocompatível, não-bioacumulável e produzida de forma sustentável utilizando os princípios da nanotecnologia verde. Os resultados dos ensaios demostram aumento de eficiência na fotossíntese em cerca de 60%, aumento na eficiência do uso de água em 50%, aumento da massa radicular em 50%. Os nanomateriais produzidos e dopados com elementos químicos essenciais fornecem de forma simultânea nutrientes para as plantas e melhoram a os aspectos fisiológicos das plantas e reduzem os impactos adversos da aplicação convencional de fertilizantes. É importante destacar que a tecnologia apresentada supera as limitações relacionadas à viabilidade econômica, escalabilidade de produção e segurança ambiental, que são barreiras para o uso sustentável da nanotecnologia ne agricultura.

[087] O uso dos Carbon-dots como intensificadores fotossintéticos é decorrente das suas propriedades espectroscópicas. A introdução de reagentes aromáticos nitrogenados, que promovem a formação de ligações C=N/C=O, é responsável por absorção multiestado e emissões na região azul/verde/vermelho (Figura 5).

[088] As clorofilas a e b apresentam duas bandas de absorção centradas nas regiões espectrais correspondentes ao azul (~ 440 nm) e ao vermelho (~ 650 nm), mas mostram uma resposta espectral muito baixa para a região verde (Figura 6). Os Carbon-dots sintetizados apresentam uma forte absorção na região verde (532 nm) e emissão centrada em 645 nm, essa adaptação espectral leva a um aumento da produtividade da cultura devido a uma melhor exploração da luz solar.

EXEMPLOS

[089] Os exemplos abaixo são representados a fim de ilustrar a melhor execução da invenção. Vale destacar que a presente invenção não se limita aos exemplos citados, podendo ser utilizada em todas as aplicações descritas ou em quaisquer outras variações equivalentes.

EXEMPLO 1: Síntese dos Carbon-Dots

[090] A aplicação na agricultura demanda maior quantidade que em escala laboratorial. Então partiu-se para o escalonamento do processo e produção em uma estrutura piloto conforme apresenta Figura 1. 500g de glicose e 550 mL de hidróxido de amônio foram dissolvidos em 1000 mL de água foram colocados no sistemas de fluxo, conforme Figura 1. A temperatura de trabalho foi fixada em 150oC e o produto final com rendimento de 95% (713 g após 2 horas de ciclo. Essa quantidade de material é suficiente para ser aplicado em 24 hectares.

EXEMPLO 2: Síntese dos Carbon-Dots híbridos contendo macronutrientes

[091] O processo inicialmente não havia um segundo misturador, mas com a necessidade de reciclo e a demanda por inserção de nutrientes foi adicionado após o primeiro misturador um segundo que recebe as correntes acida e básica então calcula-se a dosagem do reciclo e também do dopante para se ter uma proporção estequimétrica, isso permite produzir tanto C-dot puros como Carbon-dots híbridos com os mais diversos dopantes inseridos no segundo misturador.

[092] A Figura 7a exibe o espectro XPS e composição da amostra contendo os macronutrientes. O espectro de XPS de alta resolução Figura 7b mostra que o fósforo (P) foi incorporado na matriz carbonácea. As bandas centradas em 131,25 e 132,25 eV correspondem aos grupos -C3-PO e -C-PO3 respectivamente. Figura 7c e d estão exibidos imagens das nanopartículas com morfologias esferoidais e tamanho médio de 5 nm. Esse resultado indica que o fósforo pode ser entregue diretamente ao maquinário celular da planta e que o processo de biodisponibilização do nutriente é similar ao do Nitrogênio do nutriente que é dependente metabolização do nanomaterial pela planta. Esse nanomaterial atua simultaneamente como potencializador de fotossíntese, bioestimulante/biofertilizantes e fonte de macronutrientes (Fertilizante Organomineral). Além disso, é totalmente solúvel em água, atóxico e tem a vantagem de reduzir o impacto ambiental causado pelo uso excessivo de fertilizantes no solo. Vale destacar que não há tecnologia similar relatada na literatura até a publicação da presente

EXEMPLO 3: Avaliação do potencial carreador de nutrientes

[093] O potencial carreador de nutrientes dos Carbondots é investigado, uma vez que, em solução os grupos carboxílicos (COO-) que são majoritários na superfície conferem uma carga negativa e por conseguinte uma repulsão que favorece a estabilidade coloidal do sistema. Os metais classificados como micro e macro nutrientes possuem uma carga positiva em solução e podem ser atraídos pelos grupos carboxílicos das partículas.

[094] Para analisar o comportamento de superfície e a estabilidade dos C-dots frente a adição de íons são realizadas medidas de potencial zeta () e diâmetro hidrodinâmico com a adição crescente de solução nutritiva. Um volume de 10 mL de C-dots com concentração de 50 mg/L é titulado com uma solução padrão de Hoagland (1/2 de força). Na Figura 8 é possível observar o comportamento do potencial zeta e do diâmetro hidrodinâmico a medida que uma maior quantidade de íons e adicionada.

[095] Como é de se esperar a diminuição do potencial indica que os íons metálicos positivos se ligam à superfície e resultando numa diminuição gradativa do potencial. Contudo, o comportamento da curva tende a permanecer constante a partir de um certo volume, como observado na Figura 8. Mesmo com elevada força iônica as partículas apresentam estabilidade, confirmada pela estreita variação do diâmetro hidrodinâmico. Essas características indicam que os C-dots podem ser aplicados juntamente com soluções nutritivas padronizadas a fim de promover o carreamento nutricional e evitar a lixiviação de nutriente como ocorre na agricultura convencional. A estabilidade coloidal também reforça a possibilidade de comercialização dessa tecnologia como potencializador de fotossíntese, bioestimulante/biofertilizantes e fertilizante organomineral líquido.

EXEMPLO 4: Ensaio agronômico

[096] A cultura do pimentão (Capsicum annuum) é selecionada para mostrar o efeito do nanomaterial no desenvolvimento vegetal, uma vez que essa cultura vem sendo alvo de muitas críticas com relação aos problemas de resíduos de agrotóxicos nos frutos.

[097] O efeito do Carbon-dots nos coeficientes de produção do pimentão é montado em esquema fatorial 2 x 4, onde dois são os modos de aplicação (uma única aplicação e parcelado em quatro vezes) e quatro concentrações que variaram de 0, 25, 50 e 100 mg.L-1 de Carbon-dots. O ensaio é disposto no delineamento de blocos casualizados, com quatro repetições perfazendo um total de 32 unidades experimentais.

[098] As unidades experimentais constam de vasos plásticos de 5,0 dm3 preenchidos em sua totalidade com mistura de substrato inerte e uma planta cada um. Os nutrientes e água são adicionados por fertirrigação adicionando 400 mL de solução nutritiva completa quatro vezes ao dia.

[099] As sementes de pimentão são semeadas em bandeja de germinação e após 27 dias do semeio as plântulas emergentes são transplantadas para vasos de 5 litros previamente preenchidos com substrato do tipo inerte que apresenta em sua composição turfa, vermiculita, resíduo orgânico, resíduo orgânico agroindustrial e calcário. São selecionadas 32 mudas com 19 dias do transplante para dar início às aplicações dos Carbon-dots, o critério de tamanho e desenvolvimento adotado é o mesmo para todas as mudas no ato da seleção.

[100] As concentrações de Carbon-dots aplicadas (0 a 100 mg.L-1) são definidas a partir de ensaios prévios. O volume máximo de solução aplicado para posterior quantificação da massa de Carbon-dots é de 200 mL para cada concentração por planta. As plantas são divididas em dois grupos P1 e P2, onde as plantas classificadas como P1 recebem uma dose única da solução (200 mL) e as P2 recebem doses graduais (50 mL) a cada quinzena até atingir o volume máximo de solução (200 mL). A Figura 9 representa a divisão das plantas em quatro blocos para conferir randomização aos tratamentos.

[101] As plantas são acondicionadas em casa de vegetação de vidro e são igualmente irrigadas quatro vezes ao dia. A forma de aplicação das soluções de Carbon-dots é por pulverização foliar de forma que o excesso de solução poderia livremente escorrer para o substrato da planta.

[102] Para medir o efeito dos Carbon-dots no crescimento relativo das plantas é utilizada uma trena graduada em milímetros para medição do tamanho ao longo do ensaio. No primeiro dia, antes do início das aplicações, é efetuada a coleta do tamanho inicial, em seguida são aplicadas as primeiras concentrações. O grupo P1 recebe um volume de 200 mL em cada planta e o grupo P2 recebe a primeira dose de 50 mL. O procedimento de coleta do tamanho é realizado quinzenalmente no mesmo dia das aplicações do grupo P2 até completar o volume de 200 mL.

[103] Para realização do cálculo do crescimento relativo foi utilizada pela Equação 1, onde “hfinal” representa a medida efetuada após a aplicação do tratamento e “hinicial” a media efetuada antes da aplicação dos tratamentos.

[104] Os dados coletados são tabulados em planilha de dados para aplicação de testes estatísticos. O primeiro teste estatístico aplicado é o teste de normalidade de Shapiro-Wilk que indicou um tipo de distribuição não normal para os dados coletados. Em seguida uma estatística não paramétrica, teste de Kruskall-Wallis de amostras independentes, é utilizada para avaliação dos resultados. (Figuras 10). Em virtude disso, uma comparação de medianas é mais adequada para identificação das diferenças estatísticas e conclusão das observações realizadas.

[105] O efeito da concentração e da quantidade de C-dots ao longo do desenvolvimento fisiológico da planta é mostrado através dos dados estatísticos dos grupos P1 e P2 são separados.

[106] A partir das análises estatísticas realizadas é possível concluir que para o grupo P1 (Figura 10), onde tem aplicação de uma dose única de 200 mL por planta logo no início do ensaio, existe diferença estatística entre o tratamento de concentração 100 mg∙L-1 e o tratamento controle de 0 mg∙L-1 após 56 dias da aplicação. Há maior crescimento relativo do pimentão quando se utiliza a maior concentração de Carbon-Dots (100 mg.L-1) quando comparado aos demais tratamentos em especial o controle, ou seja, sem a aplicação do nanobioestimulante (0,0 mg.L-1).

[107] Em contrapartida quando o resultado para o grupo P2 é analisado (Figura 11), onde são aplicadas quantidades de 50 mL de cada concentração, quinzenalmente até atingir o volume de 200 mL, diferenças estatísticas são observadas após 42 e 56 dias entre o tratamento com concentração de 25 mg∙L-1 e o tratamento controle 0 mg∙L-1. Uma concentração menor aplicada de forma fracionada contribui mais efetivamente com o crescimento relativo quando comparada com a concentração controle e os demais tratamentos.

EXEMPLO 4: Efeito dos Carbon-dots sobre a taxa fotossintética usando tomate ‘Finestra’

[108] O efeito dos Carbon-dots sobre a taxa fotossintética é mostrado utilizando um sistema portátil para medição de fotossíntese que utiliza um analisador de gás de infravermelho. O ponto chave destas medidas é a relação entre assimilação de CO2 e perda de água por transpiração da folha por meio dos estômatos. A resposta específica no infravermelho tanto para CO2 quanto para água são usadas para desenvolver sensores que fazem leituras de infravermelho durante as trocas gasosas (Infrared Gasexchange Analyzers – IRGAs).

[109] De forma simultânea é possível monitorar as mudanças de CO2 e vapor de água através da folha, fornecendo assim uma medida precisa e integrada in vivo da fotossíntese líquida e transpiração da amostra quando iluminada pelo equipamento em uma câmara de leitura que pinça a folha sem danificá-la, e também da taxa de respiração mitocondrial e transpiração residual quando a amostras está em ambiente escuro na câmara de leitura.

[110] O efeito do Carbon-dots sobre a fotossíntese é observado em tomate ‘Finestra’, um híbrido F1 desenvolvido pela Embrapa Hortaliças.

[111] As mudas de tomate são transplantadas para vasos após 25 dias do semeio e a colheita dos frutos é iniciada 60 dias após o transplante.

[112] Após 48 dias do semeio, 5 bandejas com plântulas são selecionadas para iniciar as aplicações dos bioestimnulante. As concentrações para este ensaio são: 0 mg∙L-1 (somente água); 0,5 mg∙L-1; 2,5 mg∙L-1; 5 mg∙L-1 e 10 mg∙L-1. A forma de aplicação é por pulverização foliar com possibilidade do excesso de solução escorrer para substrato. O substrato utilizado para preenchimento das bandejas e dos vasos é composto de casca de pinus bioestabilizada, vermiculita, moinha de carvão vegetal, água e espuma fenólica.

[113] A primeira dose aplicada nas plântulas ocorre após a emergência das folhas verdadeiras ainda na bandeja de germinação, é pulverizada uma dose única de 250 mL sobre a bandeja de maneira uniforme para cada tratamento, o procedimento é repetido por mais três dias seguidos.

[114] Das bandejas previamente tratadas são selecionadas 20 mudas de cada tratamento (0; 0,5; 2,5; 5,0; 10 mg∙L-1) para serem transplantadas em vasos de 15 litros com substrato. As mudas são distribuídas de forma aleatória entre quatro blocos contabilizando quatro repetições por bloco para cada tratamento e um total de 80 mudas. Os blocos B1 e B2 ficaram expostos à luminosidade incidentes na casa de vegetação enquanto os blocos B3 e B4 são cobertos com sombrite (Figura 12).

[115] Para realização do cálculo do crescimento relativo é utilizada a Equação 1, apresentada no exemplo anterior.

[116] Após o transplantio para os vasos as mudas passam por um período de pegamento de 15 dias no substrato, quando as aplicações são retomadas. Para o estágio de crescimento que se encontram os tomateiros, é aplicada uma dose de 500 mL sobre as folhas com possibilidade de contato da solução com o substrato. Os tratamentos de mesma dose (concentração) são separados e agrupados para a pulverização da solução de maneira uniforme. Em seguida os tratamentos são distribuídos novamente nas respectivas bancadas de origem, todos os cuidados são tomados para que os vasos que estão com o sombrite não se misturem com os sem sombrite no ato da devolução para a bancada. O procedimento de aplicação é repetido semanalmente por mais quatro vezes sempre com uma única dose.

[117] A coleta de dados é realizada após o término das aplicações no período matutino e estudos fisiológicos sobre os mecanismos e intensidades da taxa fotossintética e transpiração ao longo do dia. As condições de leitura são preservadas para todos os tratamentos e após o término das análises os dados são extraídos para aplicação dos testes estatísticos nas variáveis de interesse fornecidas pelo equipamento.

[118] Figuras 13, e 14 mostram os efeitos dos tratamentos. O primeiro teste estatístico aplicado é o teste de normalidade de Shapiro-Wilk que indica um tipo de distribuição não normal para os dados coletados. Em seguida, uma estatística não paramétrica, teste de Kruskall-Wallis de amostras independentes, é utilizada para avaliação dos resultados. Em virtude disso, uma comparação de medianas se torna mais adequada para identificação das diferenças estatísticas e conclusão das observações realizadas.

[119] O efeito conjunto da concentração de Carbon-dots e da luminosidade natural na fotossíntese do tomateiro ‘Finestra’ é mostrado por meio da comparação do grupo tratado que está com o sombrite (B3 e B4) e o grupo tratado sem sombrite (B1 e B2). Conforme já explanado anteriormente o Carbon-dots possui propriedades luminescente de absorção de luz e emissão que podem ser explorados no processo de absorção da luz pela clorofila.

[120] Os dados obtidos para os blocos B1 e B2 mostram que há uma tendência de aumento na taxa fotossintética para os tratamentos de concentração 2,5 mg∙L-1 e 5 mg∙L-1 (Figura 13).

[121] A eficiência no uso da água é um parâmetro que não é fornecido diretamente pelo IRGAs, mas pode ser obtido dividindo se o valor da fotosíntese (Pho) pela condutância estomática (Ci). Assim, a eficiência no uso da água nos tratammentos B1 e B2 também apresentam tendência de aumento para as concentrações de 2,5 mg∙L-1 e 5 mg∙L-1 (Figura 13).

[122] Os dados obtidos para os blocos B3 e B4 (Figura 14), ambos protegidos pelo sombrite, evidenciam que onde há aplicação de Carbon-dots a taxa fotossintética é inferior ao tratamento controle (0 mg∙L-1). No entanto, há aumento na eficiência do uso da água (Figura 14).

[123] A diferença entre os blocos sombreados e não sombreados mostra que o comportamento luminescente dos Carbon-dots só ocorre quando o mesmo é irradiado por uma fonte externa de luz.

EXEMPLO 5: Efeito dos Carbon-dots sobre as taxas fotossintéticas em alface

[124] A influência dos Carbon-dots sobre a fotossíntese de alface (Lactuca sativa) cultivada em sistema hidropônico também é mostrada. O cultivo hidropônico é uma técnica de cultivo de vegetais onde o solo ou substrato são substituídos por uma solução contendo todos os nutrientes essenciais ao desenvolvimento das plantas.

[125] O sistema hidropônico permite que gradativamente as mudas sejam irrigadas com solução nutritiva pela raiz, desta forma é excluída a aplicação por pulverização e o próprio sistema hidropônico é usado como veículo de distribuição dos Carbon-dots para os vegetais.

[126] São utilizadas três bancadas independentes ligadas a três reservatórios com soluções hidropônicas independentes. Cada reservatório possui um volume de 1000 litros de solução as quais são colocadas em circulação no sistema de forma periódica. Para todos os reservatórios é preparada uma solução nutritiva modificada de Hoagland, essencial para desenvolvimento da hortaliça, onde são determinadas três concentrações de Carbon-dots, 0 mg.L-1; 20 mg.L-1 e 50 mg.L-1. A própria solução nutritiva é utilizada como veículo de distribuição dos Carbon-dots.

[127] As mudas são adquiridas e passam por um período de adaptação na estufa, onde são distribuídas igualmente nas três bancadas e irrigadas com a solução nutritiva previamente preparada. Os Carbon-dots são diluídos nos reservatórios e colocados em circulação após 21 dias do transplante das mudas de alface.

[128] A coleta dos dados é feita para dez mudas de alface de cada tratamento. As medidas são realizadas após 15 dias do início da aplicação dos Carbon-dots e as condições de leitura são preservadas para todos os tratamentos. Após o término das análises os dados são extraídos para aplicação dos testes estatísticos como no exemplo 4.

[129] A figura 15 apresenta os dados obtidos pelo IRGAs. É observada diferença apenas na eficiência do uso da água para o tratamento mais concentrado 50 mg.L-1 e o tratamento controle 0 mg.L-1. Essas observações colaboram com o fato de que a eficiência fotossintética é alcançada quando a aplicação foliar é executada, mas que mesmo sem promover alterações na fotossíntese os Carbon-dots podem promover melhor aproveitamento no uso da água durante a fotossíntese.

Exemplo 6: Efeito da Concentração de Carbon-dots na raiz em mudas de milho

[130] As sementes de milho são sonicadas com solução de NaClO4 a 10% por 10 minutos e lavadas com água destilada por cinco vezes para esterilização. Em seguida são colocadas assepticamente em papel de germinação e germinadas em uma câmara BOD, no escuro, a 28ºC. Após dois dias de germinação as mudas, com raízes com cerca de 1-1,5cm, são transferidas para sistemas hidropônicos com vasos de plástico contendo solução nutritiva de Hoagland (25% de força) suplementada com 0 mg.L-1, 10 mg.L-1, 20 mg.L-1, 40 mg.L-1, 80 mg.L-1 e 160 mg.L-1 de Carbon-dots. Após 5 dias de crescimento, a plantas (n = 9) são colhidas e avaliadas quanto ao peso seco das raízes (RDW). Os resultados são analisados por regressão e a concentração mais eficaz de Carbon-dot é determinada.

[131] Para determinar a concentração mais eficaz de Carbon-dots, é realizada uma análise de regressão e o modelo apresentado foi aquele que melhor se ajustou aos dados. Os dados de regressão seguem uma distribuição normal (Figura 16).

[132] É observado um modelo quadrático significativo, com incrementos em baixa concentração e inibição gradual quanto maior concentração de Carbon-dots aplicada (Figura 16). A concentração mais eficiente é estimada em 100 mg.L-1 de Carbon dots, resultando em cerca de 75% mais de RDM em relação ao tratamento controle.

Exemplo 7: Efeito dos Carbon-dots sobre a taxa de fotossíntese, troca de gases nas folhas e teor de nutrientes em mudas de milho

[133] Uma vez processada a análise de regressão com doses diferentes de Carbon-dots, o efeito do Carbon-dots é mostrado contrastando apenas o controle (0 mg.L-1) e a dose mais eficaz observada (100 mg.L-1) conforme descrito no exemplo 6.

[134] Mudas com raízes de cerca de 1- 1,5 cm são transferidas para vasos de Leonard (Figura 17) contendo, no topo, 0,5 kg de areia (0,5-0,84 mm) esterilizados com solução de HCl a 10 % seguida de lavagem com água destilada até obter condutividade elétrica < 5S.cm-1. No fundo dos vasos de Leonard, são colocados 0,5 dm3 da solução nutritiva de Hoagland (25% de força) suplementada com 0 ou 100 mg.L-1 de Carbon-dots. As mudas são transplantadas e semanalmente as soluções são substituídas por soluções recém-produzidas, mas aumentando a concentração para 50, 75 e 100% de força.

[135] Após 28 dias de crescimento, os parâmetros de troca gasosa foliar, como fotossíntese líquida, condutância estomática e transpiração, são medidos nas plantas (n = 4) utilizando um sistema de fotossíntese do tipo IRGAs, com câmara foliar padrão de 6 cm2. A eficiência no uso da água (WUE) é calculada como a razão entre a fotossíntese líquida e a transpiração. A concentração de CO2 na câmara de trocas gasosas é fixada em 400 mol.mol-1 e as medidas são realizadas sob densidade de fluxo fotossintético de 500 mol.m-2.s-1. As determinações são realizadas entre 9 e 11 horas da manhã. A temperatura média ao longo do experimento é de cerca de 28ºC e a umidade relativa entre 50 e 60%.

[136] Para análise nutricional as planas são coletadas e tratadas termicamente a 65ºC até peso constante de depois moídas em pó fino (peneira de malha 2 mm) usando moinho de facas. O material resultante é analisado quanto ao teor de Ca, Mg, S, Fe, Cu, Mn, Zn e Ni após digestão de 0,5 g do composto com HNO3 e HClO4 a 180ºC por espectroscopia de emissão atômica com plasma de micro-ondas. O fósforo total é estimado colorimetricamente a 660 nm após digestão do composto com H2SO4 e H2O2 pelo método ácido ascórbico/azul de molibdênio.

[137] As trocas gasosas foliares e o teor de nutrientes são analisados por meio do teste F de análise das variâncias.

[138] A adição de Carbon-dots resulta em um aumento (p < 0,05) na fotossíntese líquida (Figura 18a). A condutância estomática e a taxa de transpiração, no entanto, não são alteradas (Figura 18b e 18c, respectivamente).

[139] A eficiência no uso da água (WUE) tem sido cada vez mais procurada na agricultura mundial. Nesse sentido, o uso de estimulantes vegetais deve ser considerado uma ferramenta importante, uma vez que esses estimulantes atuam como agentes modificadores da arquitetura radicular e indutores de processos que afetam o metabolismo primário e secundário das plantas. O WUE representa a capacidade da planta em otimizar a captação de carbono e minimizar a perda de água, resultando em uma vantagem competitiva.

[140] Os Carbon-dots aumentam consideravelmente o WUE em 22% (Figura 18d). O aumento nesse parâmetro é típico da adição de estimulantes vegetais e aponta a capacidade do Carbon-dots em modular o desenvolvimento radicular, aumentado a capacidade das plantas de absorver água do solo.

[141] O conteúdo de todos os nutrientes analisados é alterado significativamente devido à presença dos Carbondots na solução nutritiva (Figuras 19). Entre eles, apenas para o Mg são observadas reduções (8,7%). Fósforo, Ca e Zn apresentam os menores incrementos, na ordem de 7,8; 8,3 e 13,0%, respectivamente. Os teores de enxofre e Ni apresentam aumentos intermediários de 26,6 e 55,5%. Os aumentos mais expressivos são observados para Mn, Cu e Fe, cujo conteúdo é elevado em 70,2; 82,1; 82,6%, respectivamente.

[142] Os dados de teor nutricional mostram que os Carbondots funciona como potencializador de fotossíntese e nanobioestimulante, aprimorando a absorção de alguns nutrientes.

Claims (12)

1. POTENCIALIZADOR DE FOTOSSÍNTESE caracterizado por compreender nanopartículas híbridas de carbono com propriedades luminescentes e de carreamento de nutrientes.
2. POTENCIALIZADOR DE FOTOSSÍNTESE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das nanopartículas de carbono serem dopadas com macronutrientes entre eles potássio, nitrogênio, cálcio, fósforo, magnésio e enxofre, sendo preferencialmente o fósforo, ou micronutrientes tais como manganês, boro, zinco, ferro, cobre, molibdênio e cloro.
3. POTENCIALIZADOR DE FOTOSSÍNTESE, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelas nanopartículas de carbono absorverem multiestado e emissões na região azul/verde/vermelho.
4. POTENCIALIZADOR DE FOTOSSÍNTESE, de acordo com a reivindicação 1 a 3, caracterizada pelas nanopartículas de carbono apresentarem absorção no comprimento de onda de 532 nm e emissão centrada no comprimento de onda de 645 nm.
5. POTENCIALIZADOR DE FOTOSSÍNTESE, de acordo com a reivindicação 1 a 4, caracterizado pelas nanopartículas de carbono apresentarem morfologia esferoidal com tamanho médio de 5 nm.
6. PROCESSO DE OBTENÇÃO DE POTENCIALIZADORES DE FOTOSSINTESE, conforme uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado por ser uma reação de neutralização parcial ácido-base.
7. PROCESSO DE OBTENÇÃO DE POTENCIALIZADORES DE FOTOSSINTESE, de acordo a reivindicação 6, caracterizado pela formação das nanopartículas de Carbon-dots ocorrer a partir de matrizes ricas em carbono, tais como glutaminas, ácidos orgânicos, ácido cítrico, ácido tartárico, ácido oléioco, ácido málico, ácido fumárico, ácido isocítrico, amido de milho, sendo preferencialmente ácido cítrico e tartárico.
8. PROCESSO DE OBTENÇÃO DE POTENCIALIZADORES DE FOTOSSINTESE, de acordo uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizado por a solução básica utilizada ser composta por hidróxido de cálcio, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de amônio, anilina, metalamina, uréia e tiouréia, sendo preferencialmente hidróxido de amônio e uréia.
9. PROCESSO DE OBTENÇÃO DE POTENCIALIZADORES DE FOTOSSINTESE, de acordo uma das reivindicações de 6 a 8, caracterizado por utilizar água como solvente.
10. PROCESSO DE OBTENÇÃO DE NANOFORMULAÇÕES BIOPESTICIDAS, de acordo uma das reivindicações de 6 a 9, caracterizado pela formação das nanopartículas de Carbondots ocorrer em um sistema de fluxo contínuo na qual soluções ácida e básica são injetadas em um vaso misturador por meio de uma bomba dosadora, sendo posteriormente redirecionado a um segundo vaso misturador para recebimento de reciclo e de dopantes (micro e macronutrientes ou estimulantes), sendo adiante bombeados para um reator tubular tipo fluxo em pistão, no qual é dotado de uma válvula que restringe a saída do material, mantendo a pressão constante em seu interior e a temperatura entre 100 e 250 ºC, sendo preferencialmente a 150 ºC, em que o processo é mantido em regime de escoamento hidrodinâmico turbulento; sendo a posteriori o fluxo de material que sai do reator tubular descarregado em um reator tanque de agitação contínua, sob mesmo aquecimento, em que o fluxo de saída desse reator passa por um sistema de separação, na qual é possível retirar o sobrenadante e recircular o material de fundo, inserindo anteriormente ao reator, sendo este somando a corrente inicial dos reagentes; retomando o processo por refluxos até que ocorra a formação do produto.
11. USO DO POTENCIALIZADOR DE FOTOSSINTESE, conforme definição em uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizada por ser usado como bioestimulante.
12. USO DO POTENCIALIZADOR DE FOTOSSINTESE, conforme definição em uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizada por ser usado como carreador de macronutrientes e micronutrientes.

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