O papel fundamental da agricultura sustentável na produção global de alimentos
Prevê-se que a demanda global total por alimentos aumente entre 35% e 56% entre os anos de 2010 e 2050, agravada por um aumento constante na população mundial. Nos últimos anos, os crescentes custos de produção e distribuição de alimentos foram afetados pela pandemia de COVID-19, pela guerra entre Rússia e Ucrânia, pelas mudanças climáticas e por conflitos regionais. O Fundo Monetário Internacional enfatizou que mudanças nas políticas são vitais para reduzir a insegurança alimentar e melhorar o acesso a fertilizantes, especialmente em países mais pobres.
Fertilizantes sintéticos e orgânicos continuam sendo cruciais para sustentar as práticas agrícolas. Fertilizantes sintéticos utilizam fósforo extraído de rochas fosfáticas, potássio extraído de minérios de potassa e nitrogênio fixado da atmosfera; no entanto, os processos de extração desses recursos consomem muita energia e, portanto, exercem um impacto prejudicial a longo prazo no meio ambiente devido às atividades de mineração e ao uso de fontes de energia de combustíveis fósseis em sua produção. Fertilizantes orgânicos incluem esterco de vários animais, farelo de alfafa, farinha de sangue, farinha de peixe e cinzas de madeira, bem como resíduos de água ou esgoto. O esterco e outros resíduos que compõem os fertilizantes orgânicos são volumosos e caros para transportar para aplicação no campo ou descarte, mas os nutrientes derivados desses tipos de resíduos podem eliminar a necessidade de transporte dispendioso se puderem ser processados no local ou próximo de onde são produzidos.
Um sistema de agricultura sustentável envolve o uso eficiente de recursos hídricos, energéticos e de nutrientes; reduzindo o impacto ambiental, mantendo a força econômica e minimizando a dependência de recursos finitos e esgotáveis, permitindo que as gerações atuais e futuras prosperem. Um exemplo de como os nutrientes são recuperados, reutilizados e reciclados a partir de águas residuais para uso em fertilizantes é mostrado na Figura 1.
Os macronutrientes dos fertilizantes são um desses recursos finitos e esgotáveis. Por exemplo, as reservas de fosfato podem se esgotar nos próximos 50 a 100 anos . Além disso, resíduos agrícolas também podem ser prejudiciais ao meio ambiente, levando a problemas como a contaminação de culturas com resíduos farmacêuticos, patogênicos ou metálicos, e a eutrofização de águas superficiais. No entanto, esses resíduos apresentam um potencial significativo, devido ao seu alto volume de nutrientes.
No caminho para a agricultura sustentável: oportunidades para aproveitar a inovação
O termo bioeconomia circular refere-se a formas de transformar e gerenciar nossos sistemas de terra, alimentação, saúde e industriais por meio da gestão de recursos biológicos para alcançar um bem-estar sustentável em harmonia com a natureza. Ao aproveitar a inovação na agricultura sustentável, existe um potencial significativo na exploração do conteúdo de nutrientes em resíduos para impulsionar a produção de alimentos e minimizar o impacto ambiental. Métodos biológicos, químicos e físicos comumente usados para a recuperação de nutrientes estão resumidos na Tabela 1. Métodos potencialmente sustentáveis que despertaram interesse nos últimos anos incluem:
- Nanofertilizantes inteligentes: Espera-se que os nanofertilizantes nitrogenados aumentem a Eficiência do Uso de Nitrogênio, melhorando a eficácia da entrega de nitrogênio às plantas e reduzindo as perdas de nitrogênio para o meio ambiente. Isso pode ser feito de várias maneiras, por meio da redução do volume de fertilizante a nanopartículas, da suplementação do fertilizante com nanomateriais ou da formação de estruturas nanocompostas via encapsulamento ou armazenamento em nanoporos para controlar a liberação de nutrientes.
- Biorrefinarias: Em comparação com as biorrefinarias de primeira geração que utilizavam culturas como matéria-prima, as biorrefinarias de segunda geração utilizam fluxos de resíduos. A biomassa é convertida em combustíveis líquidos e compostos químicos por enzimas e microrganismos usando várias plataformas de conversão.
- Biochar (biocarvão): Embora o uso de biochar seja um conceito relativamente novo no sequestro de carbono, a história dessa substância semelhante ao carvão remonta a 2.000 anos na bacia amazônica, onde se acreditava que a adição de biomassa carbonizada ao solo melhorava a qualidade e a fertilidade do solo. A pirólise anaeróbica de matéria orgânica, como plantas mortas ou serapilheira, é uma abordagem limpa e energeticamente eficiente para produzir uma forma estável de carbono.
- Amônia verde: Este é o processo de tornar a amônia 100% renovável e livre de carbono, usando energia renovável, nitrogênio e água. Projetos de síntese de amônia verde que utilizam eletrólise da água para fornecer H2 foram comercializados nos últimos anos por grandes empresas, incluindo Air Products, Siemens, OCP, thyssenkrupp e Grupo Fertiberia.
- Estruvita: A estruvita, também conhecida como guanita ou fosfato de amônio e magnésio (MAP), é um cristal no qual Mg2+, (NH4)+, e PO43- são combinados na proporção molar ou estequiométrica de 1:1:1. Pode ser usada isoladamente ou em formulações complexas de fertilizantes com outros produtos derivados de resíduos, inoculantes microbianos ou fertilizantes inorgânicos convencionais. Sua composição rica em nutrientes e propriedades de liberação lenta a tornam uma candidata atraente para a produção comercial de fertilizantes
Tabela 1. Visão geral dos processos de recuperação de nutrientes comumente usados a partir de resíduos
Tendências da agricultura sustentável na pesquisa de fertilizantes e recuperação de nutrientes
A CAS Content Collection™ é um recurso com curadoria especializada que foi utilizado para avaliar métodos de recuperação de nutrientes e os conceitos que impulsionam a inovação e, consequentemente, mantêm nossa bioeconomia circular. Uma ampla pesquisa sobre fertilizantes recuperou 121.213 patentes e 125.228 publicações em periódicos no período de 2001 a 2021 (Figura 2). Os tópicos relacionados a periódicos concentraram-se nos efeitos dos fertilizantes no crescimento das culturas, respostas biológicas e fertilidade do solo, com alguns focando em processos de recuperação de nutrientes para fertilizantes e nutrientes como poluentes que causam a eutrofização de águas receptoras, ou resíduos agrícolas e solos contendo poluentes. Os tópicos relacionados a patentes concentraram-se em substâncias orgânicas e processos associados à recuperação de nutrientes de fertilizantes, formulações de fertilizantes e tópicos de biorresíduos, como esterco, cinzas e fermentação.
Foi realizada uma pesquisa para identificar tendências da agricultura sustentável para a exploração de nitrogênio, fósforo e potássio como fontes de nutrientes, bem como os processos para sua recuperação.
Tanto em periódicos quanto em patentes, classes de substâncias como "pequenas moléculas orgânicas/inorgânicas", "elementos" e "sais/compostos" predominaram, sendo que "misturas" também foram prevalentes em patentes.
Os processos biológicos foram os métodos mais proeminentes para a recuperação de nutrientes, representando 66% das publicações em periódicos/patentes, seguidos por métodos físicos (22%) e químicos (12%).
Os principais tópicos de interesse concentraram-se na recuperação de nutrientes a partir de lodo de tratamento de águas residuais, biocarvão e cinzas. Houve tendências notáveis na produção de biocarvão, precipitação de estruvita e síntese de amônia verde.
A clear increasing trend in charcoal/biochar topics was noted in patents and journals, with journal publications demonstrating continued growth despite a slight drop in 2019. Patent publications around sustainable agriculture have grown, especially since 2013, although the numbers year-over-year have been somewhat variable (Figure 3). A conceptual analysis revealed relationships between “wastewater treatment sludge” and “manure” with “anaerobic biological digestion”.
As publicações sobre estruvita aumentaram substancialmente durante o período estudado. A estruvita na forma de [(NH</w1><w2>4)Mg(PO4).6H2O] foi predominante; muito pouco foi publicado sobre estruvita de potássio [MgK(PO4).6H2O] (Figura 4), embora algumas pesquisas indiquem que ela pode ser recuperada com potencial para servir como fertilizante de fosfato de magnésio. Os principais conceitos relacionados à produção de estruvita incluíram "precipitação química", "cristalização", "decantação no tratamento de águas residuais" e "tratamento adsortivo de águas residuais".
(2001–2021) a partir de uma pesquisa sobre fertilizantes sustentáveis.
A amônia verde foi discutida principalmente em publicações de periódicos, com documentos de patentes atingindo 20% do volume total de publicações em 2020. Houve um crescimento dramático em substâncias com papel na síntese catalítica de amônia verde de 2017 a 2021; os números aumentaram de menos de 100 substâncias distintas em 2017 para quase 500 substâncias distintas em 2021. As substâncias de interesse foram aquelas que compõem novos catalisadores usados na síntese de amônia verde, por exemplo, materiais inorgânicos, pequenas moléculas orgânicas/inorgânicas, elementos e compostos de coordenação (Figura 5). Além disso, a proporção de publicações em periódicos apresentando redução fotocatalítica ou eletrocatalítica de nitrogênio cresceu de 1% em 2001 para 25% em 2021, destacando o rápido avanço deste método.
A agricultura resiliente ao clima está no horizonte?
Com uma população global em crescimento, surgem pressões crescentes sobre a indústria agroalimentar. Tanto a produção de fertilizantes quanto o acúmulo de resíduos agrícolas estão contribuindo para danos ambientais irreversíveis. A sustentabilidade e o conceito de bioeconomia circular tornaram-se um princípio fundamental das práticas agrícolas responsáveis. Os princípios da agricultura sustentável inspiraram pesquisas sobre o desenvolvimento de sistemas integrados para tratamento de resíduos, recuperação de nutrientes e eficiência energética.
Processos alternativos "mais verdes" para a produção de fertilizantes, como a síntese de amônia verde e a recuperação de nutrientes de fertilizantes a partir de resíduos e formulações microbianas, têm o potencial de mudar a forma como nossos alimentos são produzidos e podem converter resíduos em subprodutos valiosos.
Os processos de recuperação de nutrientes estão sendo comercializados para ajudar a otimizar a eficiência, reduzir custos e minimizar o impacto ambiental. Algumas tecnologias notáveis de agricultura sustentável incluem:
- As tecnologias Pearl® e WASSTRIP® (Waste Activated Sludge Stripping to Remove Internal Phosphorus) (Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., Canadá) são processos fundamentais para a remoção de fósforo usados para produzir Crystal Green®, um fertilizante de liberação lenta recuperado de forma sustentável contendo fósforo, nitrogênio e magnésio. A liberação Root-Activated™ otimiza a absorção e protege os recursos hídricos locais, ao mesmo tempo em que aumenta a produtividade.
- AirPrex® (CNP CYCLES GmbH, Alemanha) é um processo patenteado de otimização de lodo que melhora a eliminação biológica de fosfato. No reator AirPrex®, o lodo digerido é tratado para, em última análise, levar à precipitação de MAP, ou estruvita, que pode ser usada como fertilizante.
- O Projeto RecoPhos (O Consórcio RecoPhos) é um projeto multidisciplinar realizado pela academia, indústria e empresas. O objetivo é recuperar fósforo (como fósforo branco ou ácido fosfórico) de esgoto, lodo e cinzas usando um reator inovador. Este trabalho fornecerá a base para a implementação de um reator em escala de bancada totalmente operacional e o projeto de uma planta em escala piloto. O impacto econômico, ambiental e social do processo RecoPhos também será avaliado.
- O processo Aqua2™N (Easymining Services, Suécia) recupera nitrogênio do lodo líquido. O nitrogênio é adsorvido e coletado na forma de cristais, que são então recuperados em um formato prontamente aplicável à produção de fertilizantes. O agente de absorção pode ser simplesmente reutilizado.
Iniciativas como estas provam que a colaboração intersetorial entre ciência, tecnologia e indústria é o caminho a seguir, não apenas para superar os desafios da produção de alimentos, mas também para otimizar a recuperação de resíduos. A agricultura sustentável apresenta um caminho seguro para preparar nossa sociedade para o futuro.
Saiba mais sobre as tendências da agricultura sustentável em processos de recuperação de nutrientes em nosso Relatório de Insights.
