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Transforming waste phosphorus into a nutrient-rich source for a greener future

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Agronomia / Fisiologia vegetal

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Dados abertos

Não

Resumo

A escassez e os elevados custos dos adubos minerais tradicionalmente utilizados têm direcionado a pesquisa científica para novas formas de obtenção de fertilizantes. Nesse contexto, compreender como as plantas respondem a fontes renováveis de nutrientes, bem como desenvolver estratégias eficazes para aplicação dessas tecnologias no campo é essencial para garantir a segurança alimentar e nutricional, ao mesmo tempo em que se reduzem os impactos ambientais associados ao manejo de fertilizantes. Esta tese foi estruturada em dois capítulos que abordam o desafio da demanda agrícola por fósforo (P) com a necessidade de reduzir a dependência de reservas não renováveis de rocha fosfática. No Capítulo I, o foco foi a síntese, caracterização e avaliação agronômica de materiais à base de cálcio e ferrro (Ca/Fe) obtidos a partir de resíduos da mineração de ferro. O rejeito de mineração foi submetido a tratamento térmico para obtenção do material de referência (R900) e posteriormente modificado por impregnação com Ca, originando o material ReFert, caracterizado pelo indício de formação de fases de ferrita de cálcio com elevada afinidade por fosfato. O ReFert apresentou capacidade de remoção de P substancialmente superior à de seu precursor sem Ca, confirmando a formação de domínios reativos Ca/Fe e seu potencial para a recuperação de P de meios aquosos. O material carregado com P (ReFertP) foi então avaliado por meio de técnicas de priming e revestimento de sementes de milho (Zea mays L.) em solo ácido, evidenciando que o P adsorvido pode ser gradualmente disponibilizado na rizosfera, sustentando a germinação, o crescimento inicial e o acúmulo de P em níveis comparáveis aos de fertilizantes solúveis convencionais. Esses resultados demonstraram que materiais recuperados podem ser estrategicamente posicionados na interface semente-solo, com uma nutrição inicial eficiente e a valorização de resíduos de Fe. No Capítulo II, a investigação concentrou-se no comportamento desses materiais em solos alcalinos, nos quais a fixação de P por Ca e carbonatos limita fortemente a eficiência dos fertilizantes. Um experimento em casa de vegetação com azevém (Lolium multiflorum Lam.) comparou quatro tratamentos para suprimento de P (controle, TSP, ReFert e ReFertP) ao longo de 126 dias. O ReFertP atuou como uma fonte de liberação lenta de P, promovendo o aumento gradual do P disponível na rizosfera, a manutenção da produção de biomassa e a elevada eficiência de uso do fósforo ao fim do experimento. De forma particularmente relevante, o ReFert aplicado sem adsorção prévia de P também desempenhou papel ativo na dinâmica do fósforo no solo, interagindo com os estoques nativos de P, adsorvendo fosfato da solução do solo e tornando-o progressivamente disponível às plantas por meio de processos na rizosfera. Em conjunto, os dois capítulos demonstram que resíduos da mineração de ferro enriquecidos com Ca podem ser transformados em materiais multifuncionais, capazes de remover P de efluentes, reciclar esse nutriente para uso agrícola e regular sua disponibilidade em solos ácidos e alcalinos. Esses resultados reforçam o potencial do ReFert como uma interface funcional entre remoção, recuperação e reutilização de P, contribuindo para uma economia circular mais resiliente e sustentável. Palavras-chave: Nutrição vegetal; Fluxo de nutrientes; Eficiência no uso de nutrientes; Fertilizante; Bioeconomia circular

Abstract

The resource constraints and rising costs of conventionally used mineral fertilizers have driven scientific research toward alternative pathways for fertilizer production. In this context, understanding how plants respond to renewable nutrient sources and also developing effective strategies for transferring these technologies to the field is essential to ensure food and nutritional security while reducing the environmental impacts associated with fertilizer management. This thesis was structured into two chapters addressing the challenge of meeting agricultural phosphorus (P) demand while reducing dependence on non-renewable phosphate rock reserves. In Chapter I, the focus was on the synthesis, characterization, and agronomic evaluation of calcium and iron-based (Ca/Fe) materials derived from Fe mining activity. The mining waste was heat-treated to produce a reference material, R900, and then modified by Ca impregnation, resulting in ReFert, in which the formation of Ca ferrite domains provides an affinity for phosphate. ReFert exhibited higher P removal capacity than its Ca-free precursor and highlighted its potential for P recovery from aqueous solution. The P-loaded material, ReFertP, was then evaluated using seed priming and coating techniques applied to maize (Zea mays L.) grown in acidic soil. These experiments demonstrated that the adsorbed P could be gradually released in the rhizosphere, sustaining germination, early plant growth, and P accumulation at levels comparable to those achieved with conventional soluble fertilizers. These results showed that recovered materials can be strategically positioned at the seed–soil interface, promoting efficient early P nutrition while simultaneously valorizing Fe-rich mining residues. In Chapter II, the investigation was focused on the behavior of these materials in alkaline soils, where P fixation by Ca and carbonates strongly limits fertilizer efficiency. A greenhouse pot experiment with ryegrass (Lolium multiflorum Lam.) compared four P supply treatments (control, triple superphosphate - TSP, ReFert, and ReFertP) for 126 days. ReFertP was a slow-release P source, promoting a gradual increase in rhizospheric P availability, sustaining biomass production, and resulting in high phosphorus use efficiency by the end of the experiment. ReFert actively influenced soil P dynamics by interacting with native soil P pools, adsorbing phosphate from the soil solution, and progressively making it available to plants through the rhizosphere. Together, these two chapters demonstrate that Ca-enriched Fe mining residues can be transformed into multifunctional materials would are capable of removing P from effluents, recycling this nutrient for agricultural use, and regulating its availability in both acidic and alkaline soils. These findings reinforce the potential of ReFert as a functional interface between P removal, recovery, and reuse, contributing to a more resilient and sustainable circular nutrient economy. Keywords: Plant nutrition; Nutrient flows; Nutrient use efficiency; Fertilizer; Circular bioeconomy.

Descrição

Área de concentração

Agronomia / Fisiologia vegetal

Linha de pesquisa

Nutrição de plantas

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

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Impacto da pesquisa

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Citação

PEREIRA, Marina Mariá. Transforming waste phosphorus into a nutrient-rich source for a greener future. 2025. 82 p. Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Lavras, 2025

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