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Artigo de investigação
A aplicação de vermiculita e Azospirillum brasilense, particularmente em combinação, melhorou o crescimento do trigo, o rendimento dos grãos, a taxa fotossintética, a condutância estomática e o teor de clorofila, além de reduzir o vazamento de eletrólitos e o acúmulo de Cd nos tecidos vegetais sob estresse de cádmio (Cd).
A contaminação por cádmio (Cd) em solos agrícolas representa uma séria ameaça à produtividade das culturas e à saúde humana. Este estudo avaliou o potencial da vermiculita e da bactéria promotora do crescimento vegetal Azospirillum brasilense para aliviar a toxicidade por Cd no trigo (Triticum aestivum L.). Foi realizado um experimento com cannabis com três replicações e nove tratamentos: T0 (Controle), T1 (CD 100 mg/kg), T2 (CD 100 mg/kg + Vermiculita), T3 (CD 100 mg/kg + A. brasilense), T4 (CD100 mg/kg + Vermiculita + A. brasilense), T5 (CD 200 mg/kg), T6 (CD 200 mg/kg + Vermiculita), T7 (CD 200 mg/kg + A. brasilense), e T8 (Cd 200 mg/kg + Vermiculita + A. brasilense). Níveis mais altos de Cd causaram uma inibição de crescimento mais severa no trigo. No entanto, tratamentos com vermiculita e A. brasilense melhoraram significativamente o crescimento das plantas, reduziram o acúmulo de Cd nos tecidos vegetais e aumentaram as atividades enzimáticas antioxidantes (SOD, CAT). Notavelmente, a aplicação combinada de vermiculita e A. brasilense (T4 e T8) mostrou a mitigação mais eficaz do estresse de Cd. Com 100 mg/kg de Cd (T4), as plantas de trigo apresentaram um aumento de 10,67% na altura, 10,21% mais comprimento do espigão e 19,87% maior rendimento de grãos em comparação com o tratamento apenas com Cd. Abaixo de 200 mg/kg de estresse de Cd (T8), a mesma combinação levou a um aumento de 44,83% na altura da planta, melhora de 17,63% no comprimento do espigão e um aumento de produtividade de 44,83% em relação a plantas não tratadas sob estresse de Cd (T5). Esses resultados demonstram que o uso sinérgico de Vermiculita e Azospirillum brasilense aumenta a tolerância do trigo à toxicidade por Cd. Sua aplicação combinada melhora parâmetros de crescimento, características fisiológicas e rendimento sob condições de estresse por Cd, proporcionando uma abordagem ecológica para remediar solos contaminados com CD e manter a produtividade do trigo.
O trigo (Triticum aestivum L.) é uma cultura alimentar básica vital que fornece uma fonte principal de energia para milhões depessoas 1. Como principal fonte de alimento, é cultivada em vastas extensões de terras agrícolas, especialmente em regiões temperadas. A versatilidade, o valor nutricional e a adaptabilidade ao ambiente diverso do trigo fazem dele uma pedra angular da segurançaalimentar 2. No entanto, o potencial de rendimento do trigo é frequentemente comprometido por diferentes fatores de estresse abiótico e biótico, levando a perdas substanciais de produtividade. Um dos desafios urgentes enfrentados pela produção de trigo atualmente é a contaminação do solo com metais pesados, especialmente cádmio (Cd)2,3. O cádmio, um metal pesado tóxico, pode ser introduzido nos solos agrícolas por meio de atividades industriais, fertilizantes fosfatados e irrigação com água contaminada. Uma vez no solo, o Cd é facilmente absorvido pelas plantas de trigo, onde se acumula em vários tecidos, levando a estresse oxidativo, funções fisiológicas prejudicadas e redução docrescimento 3. Os efeitos tóxicos do CD no trigo não apenas diminuem a produtividade, mas também causam problemas de saúde humana por meio do consumo de grãos contaminados. A toxicidade por metais pesados e outros fatores, como deficiências nutricionais, estrutura do solo precária, estresse causado pela seca e práticas agronômicas subótimas, contribuem para a baixa produção dotrigo 4. A ameaça constante das mudanças climáticas agrava esses desafios, tornando cada vez mais difícil alcançar uma produção sustentávelde trigo 5.
Vermiculita é um mineral natural que ganhou grande atenção na agricultura por suas propriedades únicas e benefícios como emenda do solo. Composta principalmente por silicato hidratado de magnésio-alumínio-ferro, a vermiculita é conhecida por sua capacidade de expandir quando aquecida, resultando em um material leve e altamenteporoso 6. Essa forma expandida de Vermiculita apresenta excelente capacidade de retenção de água e aeração, tornando-se um meio ideal para melhorar a estrutura do solo e melhorar o crescimento das plantas. Em aplicações agrícolas, a vermiculita atua como um componente crítico nas misturas de solo, especialmente em áreas com baixa qualidade do solo ou em condições que exigem maior manejo de água enutrientes 7. A vermiculita tem a capacidade de reter água no solo e manter a umidade do solo sob estresse hídrico. É valioso para prevenir o encharcamento de água e garantir um fornecimento constante de umidade às raízes das plantas. Além disso, a alta capacidade de troca cátiônica (CEC) da vermiculita permite que ela forneça os nutrientes, como potássio (K), cálcio (Ca) e magnésio (Mg), que estão disponíveis para as plantas ao longo do tempo 8. O papel da vermiculita na mitigação de fatores de estresse ambiental, como a contaminação por metais pesados, é de particular interesse na agriculturasustentável 6. Devido à sua alta área superficial e afinidade por metais pesados, a vermiculita pode adsorver e imobilizar elementos tóxicos como cádmio (Cd) no solo, reduzindo sua biodisponibilidade para as plantas. Isso não apenas protege as culturas dos efeitos negativos prejudiciais da toxicidade por metais, mas também ajuda a manter a saúde do solo ao remover as substânciasnocivas 6,9.
Azospirillum brasilense é um conhecido rizobactéria promotora do crescimento das plantas (PGPR) que despertou grande interesse na pesquisa e prática agrícola devido à sua capacidade de aumentar o crescimento e a resiliência das plantas sob diversas condições deestresse 10. Originalmente isolada da rizosfera de gramíneas tropicais, A. brasilense é uma bactéria de vida livre que coloniza as raízes de uma ampla variedade de culturas, incluindo o trigo (Triticum aestivum L.), onde estabelece uma relação benéfica com a plantahospedeira 11. Os principais mecanismos pelos quais A. brasilense promove o crescimento das culturas são fixando o N2 atmosférico (nitrogênio), que ela pode facilmente absorver e usar para funções vegetais. Essa fixação biológica de nitrogênio reduz as necessidades dos fertilizantes sintéticos para o crescimento das plantas, contribuindo para práticas agrícolas maissustentáveis 1,11. A. brasilense é conhecida por produzir ácido indol-3-acético (IAA), que é um fitohormônio e pode melhorar o desenvolvimento radicular; Esse desenvolvimento radicular pode melhorar a absorção de nutrientes. Além de seus efeitos de promoção do crescimento, A. brasilense também pode aumentar a tolerância das plantas à toxicidade de metaispesados 12. Em solos contaminados, A. brasilense pode modular as respostas fisiológicas e bioquímicas da planta, reduzindo a absorção e o acúmulo de metais como cádmio (Cd). A bactéria realiza isso por meio de vários mecanismos, como alterar padrões de exsudação das raízes, aumentar a atividade enzimática antioxidante e produzir substâncias poliméricas extracelulares que podem se ligar a metais pesados, reduzindo assim sua disponibilidade para asplantas. O potencial da A. brasilense para mitigar a toxicidade por Cd no trigo é particularmente significativo no contexto da agricultura moderna, onde a contaminação do solo por metais pesados representa uma ameaça crescente à produtividade das culturas e à segurança alimentar. Ao aproveitar as capacidades naturais da A. brasilense, os agricultores podem melhorar a saúde e a produtividade das culturas de trigo mesmo em ambientes desafiadores, contribuindo para a segurança alimentar e sustentabilidadeambiental 11,13,14.
O crescente desafio da contaminação por cádmio (Cd) em solos agrícolas representa uma ameaça significativa à sustentabilidade da produção agrícola, especialmente em culturas básicas como otrigo 3. O CD é um metal pesado tóxico que não só dificulta o crescimento das plantas, mas também pode se acumular nas partes comestíveis das culturas. À medida que as práticas agrícolas enfrentam cada vez mais a dupla pressão da poluição ambiental e a necessidade de maior produtividade, são necessárias estratégias inovadoras e sustentáveis para mitigar o impacto de metais pesados como o CD na saúde dasculturas 15. A aplicação combinada de Vermiculita e Azospirillum brasilense oferece uma abordagem promissora para tratar a toxicidade por Cd notrigo 7,9,14,16. A vermiculita, com sua alta capacidade de troca de cátions e propriedades de retenção de água, melhora a estrutura do solo, aumenta a disponibilidade de nutrientes e reduz a mobilidade de metais como o Cd nosolo 8. Por outro lado, A. brasilense, um rizobactério que promove o crescimento das plantas, aumenta a tolerância das plantas à toxicidade por metais pesados ao modular a fisiologia radicular, produzir fitohormônios e reduzir a biodisponibilidade de metais tóxicos por meio de várias viasbioquímicas 14. A integração da vermiculita e da A. brasilense em uma única estratégia de manejo aproveita as forças de ambos os componentes, criando um efeito sinérgico mais eficaz do que o uso isoladamente de qualquerum dos componentes. A capacidade da vermiculita de imobilizar o Cd no solo complementa o papel da A. brasilense no aprimoramento dos mecanismos de defesa das plantas contra o estresse do Cd. Além disso, a vermiculita pode criar um ambiente mais propício para que A. brasilense prospere, melhorando a aeração do solo e os níveis de umidade, que são críticos para a sobrevivência e atividade da bactéria narizosfera 11,14. No entanto, o efeito combinado da vermiculita e da A. brasilense no crescimento do trigo e no desempenho fisiológico sob estresse de Cd não foi investigado sistematicamente.
A necessidade dessa aplicação combinada surge das limitações das abordagens convencionais para o manejo da toxicidade por Cd. Métodos tradicionais, como o uso de emendas químicas, frequentemente oferecem alívio temporário e podem ter consequências ambientais adversas. O uso combinado de vermiculita e A. brasilense pode oferecer uma solução mais sustentável que não apenas mitiga a toxicidade por Cd, mas também pode melhorar a saúde geral do solo e o crescimento das plantas, levando a uma maior produtividade, fisiologia e qualidade do trigo. A aplicação combinada de vermiculita e A. brasilense no crescimento do trigo e no desempenho fisiológico sob estresse Cd não foi investigada sistematicamente. Para suprir essa lacuna de conhecimento, o presente experimento em maconha testou as seguintes hipóteses: (H₁) A aplicação de vermiculita reduzirá o acúmulo de Cd nos tecidos do trigo e melhorará o crescimento e o rendimento; (H₂) A inoculação com A. brasilense melhorará o desempenho fisiológico (taxa fotossintética, condutância estomática, teor de clorofila) e a absorção de nutrientes; e (H₃) A aplicação combinada produzirá melhorias maiores do que qualquer uma das emendas isoladamente, associadas a uma maior colonização radicular bacteriana. Este estudo não afirma fornecer diretrizes diretas de aplicação de campo, pois essas perguntas exigem ensaios de campo além do escopo deste experimento controlado.
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Todas as diretrizes e legislações locais, nacionais e internacionais foram seguidas para o uso das plantas neste estudo. Os reagentes e os equipamentos utilizados estão listados na Tabela de Materiais.
Layout experimental e material
Um experimento com vaso foi organizado no telhado do prédio do departamento de engenharia agrícola da Universidade de Engenharia e Tecnologia da Informação Khwaja Fareed, Paquistão (28,42° N, 70,30° E) para investigar o papel da vermiculita e do Azospirillum brasilense na mitigação da toxicidade do cádmio (Cd) na safra de trigo durante a temporada de inverno de 2023–2024. Um projeto completamente randomizado (CRD) foi utilizado para esse experimento, com três replicações. Uma variedade de trigo aprovada de "Dilkash-20" foi obtida da Fazenda de Pesquisa Adotiva, Rahim Yar Khan, adequada para a região local. Foi usado um vaso de tamanho 1 x 1 x 1 pé (30,48 cm × 30,48 cm × 30,48 cm), com 12 kg de solo. A esterilização das sementes foi realizada antes do experimento no laboratório de agronomia com 70% de etanol. As sementes foram plantadas em 10de novembro de 2023. 8 sementes de trigo foram colocadas em cada vaso e 4 plantas foram mantidas na fase de cultivo. A vermiculita foi obtida no mercado local e aplicada durante a adição do solo a uma taxa de 150 g/kg de solo. Azospirillum brasilense foi obtido na Government College University Lahore (GCUL), Lahore, Paquistão. Azospirillum brasilense foi aplicado com a inoculação de sementes em culturas de trigo pelo procedimento padrão, conforme relatado por Zaheer et al.17. O experimento consistiu em 9 tratamentos (T0 = Controle (sem emenda do solo, sem toxicidade por CD), T1 = toxicidade por CD 100 mg/kg de solo, T2 = CD 100 mg/kg de solo + Vermiculita, T3 = CD 100 mg/kg de solo + A. brasilense, T4 = Cd 100 mg/kg de solo + Vermiculita + A. brasilense,T 5 = Toxicidade CD 200 mg/kg de solo, T6 = Cd 200 mg/kg de solo + Vermiculita, T7 = Cd 200 mg/kg de solo + A. brasilense, T8 = Cd 200 mg/kg de solo + Vermiculita + A. brasilense). A temperatura média mensal em °C e a umidade em % no local experimental são apresentadas na Tabela 1. Antes do início do experimento, foi feita uma análise do solo, e as propriedades do solo são mostradas na Tabela 2. A irrigação foi aplicada conforme as necessidades nas etapas de cultivo, botagem, anthese e enchimento de grãos, e fertilizantes também foram aplicados uniformemente conforme recomendações. A irrigação era aplicada manualmente com o uso de um pote de água e mantinha 70% de umidade do solo em cada vaso, sem estresse de seca. Os fertilizantes foram aplicados conforme recomendações do departamento de agricultura (120-80-60 kg NPK ha-1). Os fertilizantes eram calculados de acordo com o tamanho de cada vaso. Doses completas de P e K e meia dose de N foram aplicadas na semeadura, e a metade restante de N foi aplicada na fase de tillering. A amostragem destrutiva para medições do comprimento das raízes e brotos (30 dias após a semeadura) foi realizada em vasos separados designados para a colheita inicial; Esses potes não foram usados para medições finais de rendimento, então a amostragem destrutiva precoce não afetou os dados de rendimento posteriores. Uma linha do tempo esquemática do experimento é a seguinte: Dia 0 (preparação do solo, espigamento de Dc, mistura de vermiculita, inoculação de sementes, semeadura), Dia 10–30 (amostragem radicular para qPCR), Dia 30 (comprimento da raiz e dos brotos), Dia 85 (antese: medições fisiológicas) e Dia 120 (colheita: parâmetros de produtividade). Amostras de plantas foram coletadas em três pontos de tempo. Aos 10, 20 e 30 dias após a semeadura (DAS), as raízes foram coletadas de vasos separados. Com 30 DAS, vasos separados foram colhidos de forma destrutiva para o comprimento da raiz e do broto. Em 85 DAS (antese), os parâmetros fisiológicos foram medidos de forma não destrutiva. Em 120 DAS, os parâmetros finais de escoamento foram registrados. Potes usados para amostragens destrutivas precoces (10–30 DAS) não foram usados para medições de rendimento.
O cádmio foi aplicado como cloreto de cádmio (CdCl₂•2,5H₂O, grau analítico, ≥98% de pureza). As quantidades necessárias para concentrações-alvo de 100 mg Cd kg⁻1 solo e 200 mg Cd kg⁻1 solo foram calculadas com base no peso seco do solo (12 kg por vaso). O CdCl₂ foi dissolvido em 500 mL de água desionizada por vaso e misturado cuidadosamente com o solo usando um misturador mecânico por 15 minutos para garantir uma distribuição homogênea. Após a mistura, o solo com espinhos era colocado em vasos revestidos de plástico e deixado equilibrado por 14 dias à temperatura ambiente (25 ± 2 °C), com mistura periódica a cada 3 dias para estabilizar a especiação do Cd e permitir o envelhecimento. A umidade do solo foi mantida em 70% da capacidade do campo durante o período de equilíbrio. Após o equilíbrio, amostras representativas de solo (10 g por vaso) foram coletadas, secas ao ar, digeridas com HNO₃/HClO₄ (4:1, v/v) e analisadas para a concentração total de Cd usando um espectrofotômetro de absorção atômica para verificar os níveis reais de Cd. As concentrações medidas de Cd foram 98,4 ± 3,2 mg kg⁻1 para o tratamento de 100 mg kg⁻1 e 197,6 ± 5,1 mg kg⁻1 para o tratamento de 200 mg kg⁻1 , confirmando que os níveis-alvo foram atingidos. Propriedades fisicoquímicas e o teor de metais pesados da vermiculita utilizada neste estudo são mostrados na Tabela 3.
| Mês | Temperatura (°C) | Umidade (%) |
| Novembro de 2023 | 28 | 56 |
| Dezembro de 2023 | 18 | 62 |
| Janeiro de 2024 | 17 | 63 |
| Fevereiro de 2024 | 18 | 32 |
| Março de 2024 | 21 | 25 |
| Abril, 2024 | 24 | 20 |
Tabela 1: Temperatura e umidade médias do local experimental durante 2023–2024.
| Parâmetros | Valores (2023-24) |
| Matéria orgânica | 0.56% |
| pH | 7.42 |
| EC | 227 μS/cm |
| T.S.S. | 0.54% |
| Available-P | 5,21 ppm |
| Available-K | 119 ppm |
| Percentual de saturação | 34 |
| Separações do solo: Areia, Lodo, Argila (%) | 36%, 40 %, 24 % |
Tabela 2: Propriedades do solo utilizado no experimento antes do semeio da cultura.
| Propriedade | Valor | Metal | Concentração (mg kg⁻¹) |
| Grau | Grau hortícola | Cádmio (Cd) | < 0,01 (abaixo do limite de detecção) |
| Tamanho das partículas | 2-4 mm | Liderança (Pb) | 2.1 |
| pH (1:5 em H₂O) | 7.2 | Cobre () | 1.8 |
| Capacidade de troca catiônica (CEC) | 85,4 cmolc kg⁻¹ | Zinco (Zn) | 5.3 |
| Capacidade de retenção de água (WHC) | 450% (quarto/trimestre) | - | - |
| Densidade global | 0,12 g cm-3 | - | - |
| Taxa de inscrição | 150 g kg⁻¹ solo (15% p/w) | - | - |
| Quantidade por vaso (12 kg de solo) | 1,8 kg | - | - |
Tabela 3: Propriedades fisicoquímicas e teor de metais pesados da vermiculita utilizada neste estudo.
Traços estudados
Todos os parâmetros relacionados ao crescimento da planta, como altura da planta, comprimento do espigão, número de espigões por espigão, grãos por espigão, peso de 1000 grãos e rendimento por planta, foram registrados manualmente com o uso de uma haste de medidor e um balanço de peso por meio de um procedimento padrão. Análises bioquímicas (determinação das atividades enzimáticas antioxidantes) e análises fisiológicas (taxa fotossintética, condutância estomática, teor de clorofila, vazamento de eletrólitos (EL), taxa de crescimento da cultura (CGR) e índice de área foliar (LAI)) foram realizadas na fase de antese, após 85 dias de semeadura. O comprimento da raiz e dos brotos foi notado após 30 dias de crescimento das plantas de trigo, quando as plantas foram removidas para manter 4 plantas no vaso após 20 dias de semeadura. Um analisador de gases infravermelho (Cl-340) e um medidor de clorofila (CL-1) foram usados para observar, respectivamente, a taxa fotossintética, a condutância estomática e o conteúdo de clorofila. O vazamento de eletrólitos (EL) foi medido com a equação relatada por Mussell e Staples18 , com procedimento padrão apresentado por Zaheer et al.14. EL foi calculado como: EL (%) = (EC inicial / CE final) × 100, onde EC inicial é a condutividade elétrica medida após 24 horas de incubação a 25 °C, e EC final é a condutividade medida após autoclavar as amostras a 121 °C por 20 min.
Nitrogênio orgânico dissolvido (COD), carbono orgânico dissolvido (COD) e carbono orgânico do solo (SOC) foram medidos com o procedimentopadrão 19. LAI e CGR foram detectados conforme oprocedimento 20. Foi observada a absorção de N, P e K pela planta de trigo, conforme relatado no procedimento descrito pelo relatórioanterior 21.
Análise estatística
Todos os dados desta pesquisa foram coletados a partir de três replicações, compilados e promediados. Os dados foram analisados estatisticamente com o uso do Statistic 8.1 e do Microsoft Excel 2010. Os dados foram analisados usando ANOVA unidirecional seguido pelo teste de Diferença Mínima Significativa (LSD) de Fisher em p ≤ 0,05 para separação média. Diferentes letras que aparecem com os dados/resultados mostram a diferença estatística entre cada tratamento.
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A altura da planta (PH) foi significativamente afetada pelas emendas do solo em todos os tratamentos estudados (Tabela 4). O pH mais alto foi observado em T0 (199,44 cm), quando não houve correção do solo nem toxicidade por Cd, seguido por T4 (98,44 cm), quando a toxicidade por Cd foi de 100 mg/kg de solo com aplicação de vermiculita e A. brasilense. O pH mais baixo (82,37 cm) foi observado no T5, quando havia 200 mg/kg de toxicidade por CD no solo. Também foi o...
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A toxicidade por CD reduziu significativamente todos os parâmetros de crescimento e rendimento medidos notrigo 22. Essa supressão do crescimento pode ser atribuída ao estresse oxidativo induzido pelo Cd, que interrompe a divisão e elongação celular, prejudica a absorção de nutrientes e reduz a eficiência fotossintética. De forma semelhante, o número de espigões por espigão, grãos por pico, peso dos grãos e rendimento por planta diminuíram significativamente sob es...
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Os autores declaram que não têm interesses concorrentes. Durante a preparação deste manuscrito, o(s) autor(es) usaram ChatGPT e Grammarly para aprimorar a linguagem técnica e a língua inglesa do artigo. Após usar essa ferramenta/serviço, o(s) autor(es) revisaram e editaram o conteúdo conforme necessário e assumem total responsabilidade pelo conteúdo da publicação.
Os autores reconhecem o apoio financeiro fornecido pelo Reitor de Pesquisa Científica, Vice-Presidência para Estudos de Pós-Graduação e Pesquisa Científica, Universidade King Faisal, Arábia Saudita, para esta pesquisa (Bolsa nº KFU263053).
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Espectrofotômetro de absorção atômica (AAS) | PerkinElmer, EUA | AAnalyst 800 | Verificação da concentração de Cd no solo |
| Azospirillum brasilense | Government College University Lahore (GCUL), Paquistão | Cepa disponível da coleção de culturas GCUL | Inoculación de sementes |
| Cloreto de cádmio (CdCl2·2.5H2O) | Merck, Alemanha | CAS No. 7790-78-5 | Indução de estresse por Cd |
| Fotômetro de clorofila | Não especificado | CL-1 | Medição de conteúdo de clorofila |
| Kit DNeasy PowerSoil | QIAGEN, Hilden, Alemanha | Cat. No. 12888-100 | Extração de DNA das raízes |
| Excel 2010 | Microsoft, EUA | Versão 14.0 | Compilação de dados e estatísticas básicas |
| Analisador de gás infravermelho (IRGA) | Não especificado | CI-340 | Taxa fotossintética e condutância estomática |
| Primers específicos de nifH | Sintetizado sob encomenda | Sequências fornecidas no texto | Amplificação qPCR |
| Ninidrina | Sigma-Aldrich, EUA | CAS No. 485-47-2 | Determinação de conteúdo de prolina |
| Sistema QuantStudio 5 de PCR em tempo real | Applied Biosystems, EUA | QuantStudio 5 | Análise qPCR |
| Espectrofotômetro | Não especificado | Não especificado | Medição de conteúdo de prolina |
| Statistik 8.1 | Analytical Software, EUA | Versão 8.1 | Análise estatística (ANOVA, LSD) |
| SYBR Green Master Mix | Applied Biosystems, EUA | Cat. No. 4309155 | Detecção qPCR |
| Vermiculita (qualidade hortícola) | Mercado local, Rahim Yar Khan, Paquistão | Não aplicável | Alteração do solo |
| Variedade de trigo “Dilkash-20” | Fazenda de Pesquisa Adaptativa, Rahim Yar Khan, Paquistão | Variedade local aprovada | Material vegetal |