Otimização estatística de uma composição de fertilizante sustentável baseada em larvas de mosca soldado negro como fonte de nitrogênio

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20505 (2022) Citar este artigo

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No presente trabalho, foi investigada uma otimização estatística de um revestimento sustentável para fertilizantes núcleo-casca NPK (Nitrogênio-Fósforo-Potássio). O revestimento verde ambiental foi enriquecido em azoto utilizando uma biomassa e fonte renovável, nomeadamente a fração rica em azoto de larvas de mosca soldado negra (BSFL) (Hermetia Illucens, Diptera: Stratiomyidae) criadas em resíduos vegetais. Foi proposta uma abordagem racional com o objetivo de calcular a melhor formulação do revestimento, considerando tanto o seu comportamento de fabricação, como a adesão ao núcleo, quanto suas propriedades físicas, como homogeneidade ou plasticidade. Do ponto de vista da economia circular, juntamente com a fração rica em nitrogênio do BSFL (de 51 a 90% em peso), água e glicerol foram considerados para a formulação do revestimento em diferentes proporções: de 10 a 32% em peso e de 0 a 17 % em peso, respectivamente. A técnica de Design de Experimentos foi implementada para limitar o número total de testes para a formulação do revestimento (18 testes). ANOVA foi empregada, com o objetivo de obter modelos matemáticos para derivar uma formulação mais precisa e objetiva. Os resultados mostram que o uso de glicerol pode ser evitado, bem como apenas uma quantidade limitada de água (11% em peso) é necessária para obter uma formulação de revestimento otimizada, satisfazendo assim as propriedades tecnológicas e físicas mais relevantes para a fabricação do revestimento. .

Prevê-se que a população mundial atinja os 9,7 mil milhões em 2050 e os 10,9 mil milhões em 21001. Este crescimento terá de lidar com as alterações climáticas e os seus efeitos na produção alimentar mundial, uma vez que, no final do século XXI, prevê-se que as alterações climáticas venham a aumentar. transformar entre 1,8% e 4,6% das terras globais em terras áridas, afetando mais de 270 milhões de pessoas2. Atualmente, as terras cultivadas também sofrerão uma pressão crescente causada pela urbanização3 e, consequentemente, pela exploração mais intensa4. Além disso, as atividades relacionadas com a agricultura e o uso da terra foram responsáveis ​​por 71% das emissões de gases com efeito de estufa (GEE) do sistema de produção alimentar em 2015, pelo que é importante reforçar a sustentabilidade e a eficiência do sistema agrícola5,6.

Neste contexto, os fertilizantes, e em particular os “fertilizantes ecológicos” (EFFs), são um dos principais pilares da agricultura moderna, pois permitem um enorme aumento na produção agrícola por unidade de terra, fornecendo às plantas os principais nutrientes necessários para seu crescimento7,8,9,10. Para produzir EFFs, geralmente são preferidos materiais naturais, de origem natural ou orgânicos, pois têm menor impacto no meio ambiente, estão prontamente disponíveis e podem ajudar a evitar ou limitar poluentes no solo, em comparação com polímeros derivados de petróleo11,12, 13. Além disso, podem apresentar outras características positivas, como aumentar o teor de matéria orgânica do solo ou enriquecer o solo com determinado nutriente11,14. No entanto, os materiais utilizados para produzir EFF apresentam várias deficiências que dificultam a sua propagação, por exemplo, os processos de produção são muitas vezes complicados ou caros, enquanto as condições ambientais têm efeitos desconhecidos nos padrões reais de libertação de nutrientes12,15,16.

Dentre os macronutrientes das plantas, o nitrogênio é um dos mais exigentes, pois os fertilizantes à base de uréia são caracterizados por uma perda entre 40 e 70%17. Essa perda é causa de diversos processos de poluição, pois as águas subterrâneas são contaminadas com nitratos lixiviados e a atmosfera fica exposta tanto à volatilização de NH3 quanto às emissões de GEE, como o N2O18,19,20,21. Por outro lado, os fertilizantes à base de amônia são extremamente prejudiciais ao meio ambiente, pois são gerados 2.000 kg de CO2 para cada 1.000 kg de NH3 obtido, e todo o processo de produção depende do uso de gás natural22. Neste contexto, é necessária uma fonte alternativa de azoto, podendo ser identificada uma possível fonte na conversão de resíduos orgânicos, ao mesmo tempo que se resolve parcialmente os problemas ecológicos decorrentes da eliminação de resíduos orgânicos23,24,25,26 ,27,28. Dentre os métodos biológicos ou químicos para conversão de resíduos orgânicos, o uso de larvas de mosca-soldado negra (BSFL) (Hermetia Illucens, Diptera: Stratiomyidae) é considerada uma ferramenta de bioconversão eficiente e segura para o seu tratamento29,30,31. De facto, quando se considera a valorização de subprodutos ou resíduos, é muitas vezes necessário explorar o seu valor em termos de macronutrientes através da conversão, devido a limites físicos (forma e dimensão) e biológico-químicos (disponibilidade dos macronutrientes). Os BSFL têm sido sugeridos para a reciclagem eficiente de biorresíduos, pois sua ação leva a uma redução acentuada no peso inicial dos resíduos (até 68% da massa seca inicial32), inibição de patógenos, como Salmonella33,34, redução das emissões de GEE35 e emissões de odor36 quando em comparação com procedimentos de compostagem padrão. Além disso, os BSFL possuem uma taxa de conversão alimentar altamente eficiente, levando a uma valiosa biomassa rica em nitrogênio (30–50% em peso) e lipídios (21–40% em peso)37, cuja composição varia de acordo com o resíduo orgânico empregado. ou estratégia de fermentação através de aditivos específicos, como floculantes industriais, e dispositivos, como luz artificial38,39,40,41,42. A partir disso, emerge que a fração BSFL rica em nitrogênio, contendo principalmente proteína e quitina, poderia representar como uma fonte valiosa de azoto orgânico útil para o crescimento das culturas e, posteriormente, para a produção de fertilizantes orgânicos baratos e sustentáveis43. No entanto, a legislação europeia actual impõe alguns limites ao tipo de substratos orgânicos a serem utilizados para bioconversão pela BSFL, impedindo a utilização de estrume e de qualquer substrato formalmente reconhecido como “resíduo” como alimentação para animais44. Em particular, os resíduos de frutas e vegetais parecem ser qualificados como subprodutos nos termos do artigo 184-bis do decreto legislativo italiano 152 de 200645. Na verdade, esses resíduos parecem possuir as características necessárias para cumprir as quatro condições exigidas por lei para se qualificarem. um resíduo como subproduto. As quatro condições são: (a) os resíduos provêm de um processo de produção do qual são parte integrante e cuja finalidade principal não é a produção de tais resíduos; (b) a utilização posterior da substância ou objecto for certa; (c) A substância ou objeto pode ser utilizado diretamente, sem qualquer processamento adicional que não seja a prática industrial normal; d) A utilização posterior é lícita, ou seja, a substância ou objecto cumpre todos os requisitos relevantes de protecção do produto, do ambiente e da saúde para a utilização específica e não conduzirá a impactos globais adversos no ambiente ou na saúde humana. Se o resíduo cumprir as quatro condições, pode ser qualificado como subproduto e pode ser reutilizado livremente, sem necessidade de licenças e sem estar sujeito ao regime de controlo e rastreabilidade de resíduos. Além disso, os resíduos de frutas e vegetais utilizados neste trabalho parecem poder enquadrar-se na definição de «alimento para animais» (ou «alimento para animais») do Regulamento (CE) n.º 178/2002 (artigo 3.º, n.º 4): «qualquer substância ou produto, incluindo aditivos, processado, parcialmente processado ou não processado, destinado a ser utilizado na alimentação oral de animais». Por esta razão, estes resíduos não podem ser constituídos por «resíduos sólidos urbanos, como resíduos domésticos» devido à proibição expressa no Regulamento (CE) n.º 767/2009, Art. 6, Anexo III (no. 6), porém só podem derivar de atividades industriais (PARLAMENTO EUROPEU, 2009; PARLAMENTO EUROPEU 2002).