Reduzir, reutilizar, reciclar: o caminho para a agricultura sustentável

O papel chave da agricultura sustentável na produção mundial de alimentos

Prevê-se que a demanda global total de alimentos aumente de 35% a 56% entre os anos de 2010 e 2050, agravada por um aumento constante da população global. Nos últimos anos, o aumento dos custos de produção e distribuição de alimentos foi afetado pela pandemia da COVID-19, pela guerra entre a Rússia e a Ucrânia, pelas mudanças climáticas e pelos conflitos regionais. O Fundo Monetário Internacional enfatizou que as mudanças nas políticas são vitais para reduzir a insegurança alimentar e melhorar o acesso a fertilizantes, especialmente nos países mais pobres.

Fertilizantes sintéticos e orgânicos continuam a ser cruciais para as práticas da agricultura sustentável. Os Fertilizantes sintéticos usam fósforo extraído de rochas de fosfato, potássio extraído de minérios de potássio e nitrogênio fixado da atmosfera, mas os processos para a extração desses recursos são intensivos em energia e, portanto, exercem um impacto negativo de longo prazo no meio ambiente com atividades de mineração e uso de fontes de energia de combustíveis fósseis em sua produção. Os fertilizantes orgânicos incluem estrume de vários animais, farinha de alfafa, farinha de sangue, farinha de peixe e cinzas de madeira, bem como resíduos de água ou esgoto. Estrume e outros resíduos que formam 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 caro se puderem ser processados no local ou perto de onde são produzidos.

Um sistema de agricultura sustentável envolve o uso eficiente de recursos hídricos, energéticos e nutrientes; reduzindo o impacto ambiental, mantendo a força econômica e minimizando a dependência de recursos finitos que se esgotam, permitindo que as gerações atuais e futuras prosperem. Um exemplo de como os nutrientes são recuperados, reutilizados e reciclados de águas residuais para uso em fertilizantes é mostrado na Figura 1.

Os fertilizantes com macronutrientes são um desses recursos finitos que se esgotam. Por exemplo, as reservas de fosfato poderão estar esgotadas nos próximos 50 a 100 anos. Além disso, os resíduos de produtos agrícolas também podem ser prejudiciais ao meio ambiente, levando a problemas como a contaminação de culturas com resíduos farmacêuticos, patógenos ou metálicos e a eutrofização das 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 gerir a nossa terra, alimentação, saúde e sistemas industriais pela gestão dos recursos biológicos para alcançar um bem-estar sustentável em harmonia com a natureza. Ao aproveitar a inovação na agricultura sustentável, há um potencial significativo na exploração do conteúdo de nutrientes nos produtos residuais para reforçar a produção de alimentos e minimizar o impacto ambiental. Os métodos biológicos, químicos e físicos comumente usados para recuperação de nutrientes estão resumidos na Tabela 1. Os métodos potencialmente sustentáveis que ganharam interesse nos últimos anos incluem:

• Nanofertilizantes inteligentes: Espera-se que os nanofertilizantes de nitrogênio aumentem a eficiência do uso de nitrogênio, melhorando a eficácia do fornecimento de nitrogênio às plantas e reduzindo as perdas de nitrogênio para o meio ambiente. Isso pode ser feito de várias maneiras, reduzindo o volume do fertilizante a nanopartículas, suplementando o fertilizante com nanomateriais ou formando estruturas nanocompostas por meio de encapsulamento ou armazenamento em nanoporos para controlar a liberação de nutrientes.

• Biorrefinarias: Em comparação com as biorrefinarias de primeira geração que utilizavam colheitas como matéria-prima, as biorrefinarias de segunda geração usam fluxos residuais e de lixo. A biomassa é convertida em combustíveis líquidos e compostos químicos por enzimas e micro-organismos usando várias plataformas de conversão.

• Biocarvão (carvão vegetal): Embora o uso de biocarvão 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 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 produção de amônia 100% renovável e livre de carbono, usando energia renovável, nitrogênio e água. Projetos de síntese de amônia verde que usam a eletrólise da água para fornecer H2 foram comercializados nos últimos anos por grandes empresas, incluindo Air Products, Siemens, OCP, thyssenkrupp e Grupo Fertiberia.

• Estruvita: Estruvita, também conhecida como guanita ou fosfato de amônio e magnésio (MAP), é um cristal no qual Mg²⁺, (NH₄)⁺, e PO₄³- são combinados na razão molar ou proporções estequiométricas de 1:1:1. Pode ser usada sozinha ou em formulações complexas de fertilizantes com outros produtos derivados de resíduos, inoculantes microbianos ou fertilizantes inorgânicos convencionais. Sua composição de alto teor de nutrientes e propriedades de liberação lenta a tornam uma candidata atraente para a produção de fertilizantes comerciais

Tabela 1. Visão geral dos processos de recuperação de nutrientes comumente usados a partir de resíduos

Tendências de agricultura sustentável em pesquisa de fertilizantes e recuperação de nutrientes

O CAS Content Collection™ é um recurso com curadoria de especialistas que foi usado para avaliar métodos de recuperação de nutrientes e os conceitos que impulsionam a inovação e, portanto, mantêm nossa bioeconomia circular. Uma ampla pesquisa de fertilizantes recuperou 121.213 patentes e 125.228 publicações em periódicos no período de 2001 a 2021 (Figura 2). Tópicos relacionados a periódicos especializados nos efeitos de fertilizantes no crescimento de plantas cultivadas, respostas biológicas e fertilidade do solo foram estudados, com alguns com foco 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. Tópicos relacionados a patentes focados em substâncias e processos orgânicos associados à recuperação de nutrientes de fertilizantes, formulações de fertilizantes e tópicos de resíduos biológicos, como estrume, cinzas e fermentação.

Foi realizada uma busca para identificar as 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" dominaram, com "misturas" também prevalecendo nas patentes.

Os processos biológicos foram os métodos mais proeminentes para recuperação de nutrientes, respondendo por 66% das publicações em revistas/patentes, seguidos por métodos físicos (22%) e métodos químicos (12%).

Os principais tópicos de interesse concentraram-se na recuperação de nutrientes de lodo de tratamento de águas residuais, biocarvão e cinzas. Houve tendências marcantes na produção de biocarvão, precipitação de estruvita e síntese de amônia verde.

Uma clara tendência de aumento nos tópicos carvão/biocarvão foi observada em patentes e periódicos, com publicações em periódicos demonstrando crescimento contínuo, apesar de uma ligeira queda em 2019. As publicações de patentes sobre agricultura sustentável cresceram, especialmente desde 2013, embora os números ano a ano tenham variado um pouco (Figura 3). Uma análise conceitual revelou relações entre “lodo de tratamento de esgoto” e “estrume” com “digestão biológica anaeróbica”.

As publicações sobre estruvita aumentaram substancialmente durante o período estudado. Estruvita na forma de [(NH₄)Mg(PO₄).6H₂O] era dominante. 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. Conceitos-chave relacionados à produção de estruvita incluem "precipitação química", "cristalização", "decantação de tratamento de águas residuais" e "tratamento de águas residuais por adsorção".

A amônia verde foi discutido principalmente em publicações de periódicos, sendo que os documentos de patentes atingiram 20% do volume total de publicações em 2020. Houve um crescimento enorme em substâncias com função 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. Substâncias de interesse são as que formam 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 com redução fotocatalítica ou eletrocatalítica de nitrogênio cresceu de 1% em 2001 para 25% em 2021, destacando o rápido avanço desse método.

Vemos no horizonte a agricultura resiliente ao clima?

Com uma população global crescente, aumentam as pressões sobre a indústria agroalimentar. Tanto a produção de fertilizantes quanto o acúmulo de resíduos agrícolas vêm contribuindo para danos ambientais irreversíveis. A sustentabilidade e o conceito de bioeconomia circular tornaram-se um princípio fundamental da prática agrícola responsável. Os princípios da agricultura sustentável inspiraram pesquisas para o desenvolvimento de sistemas integrados de tratamento de resíduos, recuperação de nutrientes e eficiência energética.

Processos alternativos “mais ecológicos” para a produção de fertilizantes, como a síntese de amônia verde e a recuperação de nutrientes fertilizantes 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 têm sido comercializados para ajudar a simplificar a eficiência, reduzir custos e minimizar o impacto ambiental. Dentre algumas tecnologias agrícolas sustentáveis dignas de nota estão:

• Tecnologias Pearl® e WASSTRIP® (Remoção de lodo ativado por resíduos para remover fósforo interno) (Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., Canadá) são processos-chave para a remoção de fósforo usados para produzir o Crystal Green®, um fertilizante de liberação lenta recuperado de forma sustentável, que contém fósforo, nitrogênio e magnésio. A versão Root-Activated™ otimiza a absorção e protege os recursos hídricos locais, ao mesmo tempo em que aumenta o rendimento.

• O AirPrex® (CNP CYCLES GmbH, Alemanha) é um processo de otimização de lodo patenteado que melhora a eliminação biológica do fosfato. No reator AirPrex®, o lodo digerido é tratado para levar à precipitação de MAP, ou estruvita, que pode ser usado como fertilizante.

• O sistema AshDec® Thermochemical P-Recovery (Metso Outotec, Finlândia) melhora a disponibilidade da planta e reduz o teor de metais pesados por meio da recuperação de fósforo das cinzas do lodo de esgoto. O produto de fósforo é solúvel em citrato e, portanto, ecologicamente correto. Além disso, a liberação de fósforo é controlada — ela só ocorre na presença de exsudatos de raízes de culturas.

• O RecoPhos Project (The RecoPhos Consortium) é um projeto multidisciplinar realizado pela academia, indústria e empresa. 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 fábrica piloto em escala. O impacto econômico, ambiental e social do processo RecoPhos também serão avaliados.

• O Processo Aqua2™N (Easymining Services, Suécia) recupera nitrogênio do licor de lodo. O nitrogênio é adsorvido e colhido como cristais, que são então recuperados em uma forma que é prontamente aplicável para a produção de fertilizantes. O agente de absorção pode ser usado novamente, simples assim.

Iniciativas como essas são a prova de 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 uma maneira segura de preparar nossa sociedade para o futuro.

Saiba mais sobre as tendências da agricultura sustentável nos processos de recuperação de nutrientes em nosso Insight Report.