O futuro das análises de solos: avanços com o uso do laser

Dentre as técnicas analíticas, a LIBS tem sido considerada uma superstar, em função dos avanços tecnológicos que proporciona e das suas múltiplas vantagens ambientais

Maio 25, 2022

Por Débora Marcondes Bastos Pereira Milori, Diego Babos, Edilson Pepino Fragalle, Ladislau Martin-Neto

Desafios e novas tecnologias caminham lado a lado para a resolução de determinados problemas, que podem ser superados com o avanço do conhecimento. É o caso da análise de solos, em que novas tecnologias e ferramentas analíticas apropriadas permitem obter resultados com precisão para os parâmetros de fertilidade e carbono, agilidade e baixo custo. Um exemplo concreto na fronteira do conhecimento para análise de solos é a tecnologia desenvolvida pela agência espacial norte-americana (National Aeronautics and Space Administration - NASA), a partir das expedições a Marte. 

Os rovers Curiosity e Perseverance, equipados com laser e espectrômetros, foram enviados para análise do solo e rochas do Planeta Vermelho, a fim de identificar elementos químicos básicos formadores de moléculas de organismos vivos, como carbono, hidrogênio, oxigênio, entre outros. Esses avanços elevaram a outro patamar a obtenção de informações químicas de solos, demonstrando a viabilidade da análise remota e direta dessas amostras. 

A demanda brasileira

As análises química e física dos solos permitem conhecer as características intrínsecas de uma determinada área e auxiliam o produtor a tomar decisões assertivas quanto a manejos que garantem a alta produtividade agrícola. A demanda de análises de solos é muito robusta no Brasil. 

Segundo informações do relatório do Instituto Agronômico (IAC), dentre os laboratórios participantes do programa de proficiência, no ano de 2021 foram realizadas mais de 4,6 milhões de análises de solos; que incluem análises básicas, de micronutrientes e granulometria. 

Esse número demonstra a importância das análises de solos e a atenção que o produtor tem dado a esse tema, uma vez que a agricultura de precisão baseada nessas análises contribui para a alta produtividade e a minimização dos custos de produção, com o uso racional de fertilizantes, corretivos de acidez, entre outros insumos. 

Além disso, em função das mudanças climáticas, o mercado de créditos de carbono começa a se desenhar e o Brasil pode se tornar protagonista num cenário onde os produtores, principalmente de áreas do Cerrado, acumulam uma expressiva quantidade de carbono no solo com a utilização de manejos conservacionistas.

O desafio dos solos tropicais

As amostras de solos apresentam grandes desafios analíticos, como os solos tropicais brasileiros, devido à complexidade química que apresentam e a variabilidade de sua composição ao longo do perfil das camadas, por exemplo. 

Contudo, técnicas que possibilitam a análise direta de solos, sem a necessidade de uso de ácidos concentrados para a digestão da amostra ou soluções extratoras, têm sido empregadas na análise para a determinação de atributos de fertilidade e na monetização de carbono (créditos de carbono, provenientes da mensuração de carbono total e estoque de carbono no solo).

Dentre essas técnicas a espectroscopia de emissão óptica com plasma induzida (laser-induced breakdown spectroscopy - LIBS), a espectroscopia por infravermelho próximo (near infrared spectroscopy - NIRS), espalhamento inelástico de nêutrons (inelastic neutron scattering - INS), fluorescência de raios-X (X-ray fluorescence - XRF), espectroscopia de fluorescência induzida por laser (laser-induced fluorescence spectroscopy - LIFS), têm permitido avanços significativos na análise de solos. 

As técnicas INS, XRF, LIBS e LIFS têm potencial para analisar a amostra de solo diretamente, com o mínimo preparo e utilizando equipamentos portáteis que viabilizam a análise na própria área agrícola, sem a necessidade de coleta e transporte das amostras até o laboratório.

A superstar das análises

A LIBS tem sido considerada uma superstar das técnicas analíticas, devido aos avanços tecnológicos intrínsecos da técnica nos últimos anos e às inúmeras vantagens que proporciona na análise de fertilidade de solos. Assim como no rover enviado a Marte pela NASA, a LIBS emprega um laser de alta energia para analisar a amostra.

O pulso de laser direcionado na amostra de solo, normalmente na forma de pastilhas, leva à ablação e vaporização de microgramas de amostra, ruptura de moléculas e formação de plasma. Nesse plasma, cuja temperatura está em torno de 9.500 °C encontram-se átomos, íons, moléculas e elétrons colidindo entre si. 

A energia térmica excita essas espécies presentes no plasma e, quando retornam ao estado fundamental, elas emitem luz característica de cada elemento químico (átomo) presente na amostra do solo. Cada elemento apresenta uma luz específica (comprimento de onda), como uma impressão digital. Ao coletar e detectar essa luz emitida é possível identificar e quantificar os macro e micronutrientes, além de outros elementos que estão presentes na amostra de solo analisada.

_{O sistema LIBS tem sido utilizado pela Embrapa Instrumentação para avaliações rápidas e precisas de amostras de solos (Foto: Flavio Ubialli)}

A LIBS apresenta muitas vantagens, pois: 

1. possibilita analisar a amostra em poucos segundos (microssegundos) contribuindo para a rápida obtenção de dados e tomada de decisão pelo agricultor; 
2. exige um preparo mínimo da amostra e análise in situ a partir da portabilidade dos equipamentos;
3. permite a análise multielementar a partir de uma única medida (identificação de vários macro e micronutrientes simultaneamente em um espectro LIBS);
4. possibilita a determinação da matéria orgânica do solo (carbono total), pH, capacidade de troca catiônica (CTC), nitrogênio, fósforo, potássio e micronutrientes, além da determinação da textura (areia, argila e silte);
5. garante menor consumo de reagentes, já que não é necessário o uso de produtos químicos para a extração dos macro e micronutrientes ou agentes dispersantes para a análise de textura; 
6. por não necessitar de extratores e dispersantes, há ainda mínima geração de resíduos químicos, sendo o resíduo a própria amostra de solo analisada, o que atende aos princípios da química verde, entre outras vantagens. 

_{Esquema de um sistema LIBS (Fonte: figura da tese de doutorado de Carla Morais, adaptada de Miziolek, Palleschi e Schechter (2006))}

Carbono total e matéria orgânica

As dificuldades na calibração dos métodos analíticos com o uso da LIBS têm sido contornadas com sucesso, com a avaliação de diferentes estratégias de calibração univariada e multivariada. Por exemplo, métodos relatados na literatura científica para a determinação de carbono total por LIBS indicam uma incerteza de 0,4% C, enquanto no método convencional de determinação por combustão seca em analisador elementar CHN a incerteza é de 0,3% C. Esses valores similares demonstram a real capacidade da técnica LIBS em mensurar, com exatidão satisfatória, o carbono total.

A LIFS, por sua vez, também tem se destacado como ferramenta de análise qualitativa da matéria orgânica no solo, especialmente, no Laboratório Nacional de Agro-Fotônica (LANAF) da Embrapa Instrumentação, em São Carlos (SP), o pioneiro dessa tecnologia nas análises agrícolas, com o cálculo do índice de humificação, que tem relação com a estabilidade química da matéria orgânica do solo. 

Ambas as técnicas analisam diretamente a amostra de solo intacta e apresentam sinergismo, uma vez que a LIBS permite determinar o teor de carbono total (que é utilizado no cálculo de estoque de Carbono e, posteriormente, na obtenção dos créditos de Carbono), enquanto que a LIFS auxilia na avaliação da dinâmica da matéria orgânica estocada no solo.

Exemplos no mercado

Empresas interessadas em explorar todas as potencialidades da LIBS já atuam no mercado de carbono e de fertilidade de solos, tanto no exterior (Canadá) quanto no Brasil, como a startup Agrorobótica, de São Carlos (SP), um exemplo bem-sucedido do emprego da fotônica em diferentes aplicações agroambientais. 

_{AGLIBS já foi utilizado pela startup Agrorobótica para análise de solos de mais de 500 propriedades rurais em 17 estados brasileiros (Foto: Edilson Fragalle)}

Agora, a perspectiva é que mais empresas possam atuar nesse segmento tão importante para a economia brasileira e, dessa forma, contribuir ainda mais na produção de alimentos, resolução de problemas ambientais e aumento da competitividade do setor agropecuário brasileiro no mercado global. Afinal, o futuro da análise de solos já começou!

Débora Marcondes Bastos Pereira Milori e Ladislau Martin-Neto são pesquisadores da Embrapa Instrumentação, de São Carlos (SP); Edilson Pepino Fragalle é analista também da Embrapa Instrumentação e Diego Babos é pós-doutor no Laboratório Nacional de Agro-fotônica.