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Engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison desenvolveram sensores de baixo custo que permitem o monitoramento contínuo e em tempo real de nitrato em tipos de solo comuns em Wisconsin. Esses sensores eletroquímicos impressos poderiam permitir que os agricultores tomassem decisões de gestão de nutrientes mais bem informadas e colhem benefícios econômicos.
“Nossos sensores poderiam dar aos agricultores uma maior compreensão do perfil nutricional de seu solo e da quantidade de nitrato disponível para as plantas, ajudando-os a tomar decisões mais precisas sobre quanto fertilizante eles realmente precisam”, diz Joseph Andrews, professor assistente de engenheiro mecânico da UW-Madison que liderou a pesquisa. “Se eles puderem comprar menos fertilizantes, a economia de custos poderá ser bastante significativa em fazendas de grande área.”
Embora o nitrato seja um nutriente essencial para o cultivo de safras, o excesso de nitrato pode vazar do solo para as águas subterrâneas. Esse tipo de poluição é perigoso para pessoas que bebem água de poço contaminada e é prejudicial ao meio ambiente. Os novos sensores dos pesquisadores também podem ser usados como uma ferramenta de pesquisa agrícola para monitorar a lixiviação de nitrato e ajudar a orientar as melhores práticas para mitigar seus efeitos nocivos.
Os métodos actuais de monitorização de nitratos no solo são trabalhosos, caros e não fornecem dados em tempo real. É por isso que Andrews, especialista em eletrônica impressa, e sua equipe decidiram criar uma solução melhor e menos dispendiosa.
Para este projeto, os pesquisadores utilizaram um processo de impressão a jato de tinta para fabricar sensores potenciométricos, uma espécie de sensor eletroquímico de filme fino. Sensores potenciométricos são comumente usados para medir com precisão o nitrato em soluções líquidas. No entanto, esses sensores normalmente não são adequados para uso em ambientes de solo, onde partículas grossas de solo os arranharão e interferirão na obtenção de medições precisas.
“O principal desafio que tentávamos resolver era descobrir uma maneira de permitir que esses sensores eletroquímicos funcionassem bem no ambiente hostil do solo e detectassem com precisão os íons de nitrato”, diz Andrews.
A solução da equipe foi colocar uma camada sobre o sensor feita de fluoreto de polivinilideno. Andrews diz que este material tem duas características principais. Primeiro, ele tem poros muito pequenos, com cerca de 400 nanômetros de tamanho, que permitem a passagem de íons nitrato enquanto bloqueiam as partículas do solo. Em segundo lugar, é hidrofílico, o que significa que atrai água e age como uma esponja para absorvê-la.
“Então, qualquer água carregada de nitrato é preferencialmente absorvida pelo nosso sensor, e isso é muito importante porque o solo também age como uma esponja, e você vai ter uma batalha perdida para fazer a umidade chegar ao seu sensor, a menos que você possa igualar o potencial de absorção de água do solo”, diz Andrews. “Essas características da camada de fluoreto de polivinilideno nos permitem extrair a água carregada de nitrato, levá-la à superfície do nosso sensor e detectar o nitrato com precisão.”
Os pesquisadores detalharam seu avanço em um artigo publicado em março de 2024 na revista Tecnologias Avançadas de Materiais.
A equipe testou seus sensores em dois tipos diferentes de solo relevantes para Wisconsin — solo arenoso, comum na parte centro-norte do estado, e solo franco-siltoso, comum no sudoeste de Wisconsin — e descobriu que os sensores produziram resultados precisos.
Os pesquisadores agora estão incorporando seus sensores de nitrato em um sistema de detecção multifuncional que eles chamam de “adesivo de detecção”, no qual três tipos diferentes de sensores são montados em uma superfície de plástico flexível com um adesivo na parte de trás. Esses adesivos também contêm sensores de umidade e temperatura.
Os pesquisadores vão prender vários adesivos de sensoriamento a uma haste, posicionando-os em diferentes alturas, e então enterrar a haste no solo. Essa configuração permite que eles façam medições em várias profundidades no solo.
“Ao medir o nitrato, a umidade e a temperatura em diferentes profundidades, agora podemos quantificar o processo de lixiviação do nitrato e capturar como o nitrato está se movendo pelo solo, o que não era possível antes”, diz Andrews.
No verão de 2024, os pesquisadores planejam realizar mais testes com seus sensores, implantando 30 hastes sensoras no solo na Estação de Pesquisa Agrícola Hancock de UW-Madison e na Estação de Pesquisa Agrícola de Arlington.
Os pesquisadores estão patenteando sua tecnologia por meio da Wisconsin Alumni Research Foundation.
Os co-autores do artigo de UW-Madison incluem Kuan-Yu Chen, Aatresha Biswas, Shuohao Cai e Jingyi Huang, professor de ciências do solo.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Programa Fundamental da Iniciativa de Pesquisa em Agricultura e Alimentos do USDA (projeto nº WIS04075), pela bolsa Signals in the Soil da National Science Foundation 2226568 e pelo Centro de Inovação de Laticínios da Universidade de Wisconsin-Madison.
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