Disciplina Discipline CEN5747
Técnicas Isotópicas em Estudos de Ciclagem de Nitrogênio em Agroecossistemas

Isotopic techniques in studies of nitrogen cycling in agroecossistems

Área de Concentração: 64134

Concentration area: 64134

Criação: 02/06/2016

Creation: 02/06/2016

Ativação: 02/06/2016

Activation: 02/06/2016

Nr. de Créditos: 15

Credits: 15

Carga Horária:

Workload:

Teórica

(por semana)

Theory

(weekly)

Prática

(por semana)

Practice

(weekly)

Estudos

(por semana)

Study

(weekly)

Duração Duration Total Total
4 3 8 15 semanas 15 weeks 225 horas 225 hours

Docentes Responsáveis:

Professors:

Paulo Cesar Ocheuze Trivelin

Jose Albertino Bendassolli

Objetivos:

Transmitir o estado da arte das técnicas com isótopos estáveis de nitrogênio (15N e 14N) em estudos das transformações do nitrogênio no sistema solo-planta-atmosfera, objetivando a formação de estudantes de pós-graduação para desenvolver experimentos e interpretar resultados de pesquisas relacionados à ciclagem de nitrogênio em agroecossistemas.

Objectives:

Transmit the state of the art of the techniques with nitrogen isotopes (15N and 14N) in studies of N transformations in soil-plant-atmosphere system, aiming the training of graduate students to carry out experiments and interpret results of researchs related to nitrogen cycling in agroecosystems.

Justificativa:

O nitrogênio é um dos nutrientes de plantas mais extraído pelos cultivos agrícolas, sobretudo, devido às múltiplas funções metabólicas e estruturais que o elemento exerce nos vegetais superiores. O N do solo é absorvido pelos vegetais, principalmente, nas formas minerais: amônio e nitrato, podendo ser absorvido ainda como formas orgânicas de baixo peso molecular. A matéria orgânica do solo (MOS) é principal fonte de N aos vegetais. A MOS sofre a ação dos microrganismos quimiorganotróficos que transformam N-orgânico em N-mineral. O N-amônio por ação de microrganismos do solo pode ser nitrificado ou mesmo imobilizado pela biomassa microbiana do solo. Os microrganismos do solo competem com os vegetais pelas formas minerais de N. O amônio do solo pode perder-se do sistema solo-planta por volatilização da forma amônia ou mesmo na forma de óxidos de N (NO ou N2O) produzidos no processo de nitrificação. O nitrato pode perder-se em profundidade no solo por lixiviação ou para a atmosfera como N2O ou N2 por ação de microrganismos desnitrificadores. A adição de fertilizantes nitrogenados ao solo contribui para fornecer às plantas o nutriente na forma mineral. O sucesso da prática de fertilização nitrogenada na agricultura reside no modo eficiente de fornecimento do nutriente aos vegetais em complemento àquele fornecido pelo próprio solo, assim como também daquele fixado da atmosfera por alguns microrganismos de vida livre no solo ou associado aos vegetais. Nas plantas o N sofre uma série de transformações e é constituinte de todos os tecidos. Para o entendimento do ciclo do nitrogênio em sistemas agrícolas, além do conhecimento das vias internas de transformações e suas taxas, é necessário conhecer as formas e a intensidade com que ocorrem as entradas de N (fontes) e saídas de N (drenos) no sistema, cujo balanço poderá se refletir a curto, a médio e em longo prazo na produtividade de culturas de interesse econômico. Depreende-se que o ciclo do N no sistema solo-planta é complexo e o uso de técnicas com traçadores isotópicos associadas às clássicas é fundamental para o perfeito entendimento dos processos e para quantificação das taxas de transformações do elemento nos compartimentos de agroecossistemas.

Rationale:

Nitrogen is one of the plant nutrients most extracted by crops, especially due to the multiple metabolic and structural functions that the element carries in the higher plants. N is taken up by plants from the soil mainly in the mineral forms: as ammonium and nitrate, and also it can be absorbed as organic compounds with low molecular weight. The soil organic matter (SOM) is the main source of N to the plants. The heterotrophic microorganisms of the soils transform organic-N to mineral-N. The ammonium-N form in the soil is nitrified by action of microorganisms or even may be immobilized by soil microbial biomass. The microorganisms of the soils compete with plant for the mineral forms of N. The ammonium in the soils may be lost from the soil-plant system by NH3 volatilization or lost in the soil as oxides (NO or N2O) produced during nitrification. Nitrate can be lost deep in the soil by leaching or to the atmosphere as N2O or N2 by actions of denitrifying microorganisms. The addition of nitrogen fertilizers to the soils it helps to provide the plants the nutrient in the mineral form. The success of the N fertilization practices in agriculture is the efficient supply of nutrients to the plants in addition to that is provided by soil itself, as well as that fixed to the atmosphere by some free-living microorganisms in soil or living in association with plants. In the plants, the nutrient undergoes a series of transformations and it is a constituent of all tissues. To understanding of the N cycle in agroecosystems, in addition to knowledge of the internal process of transformations and their rates, it is necessary to know the forms and intensity with which they occur: as N inputs (sources) and N outputs (drains) in the system. This balance can reflect in the short, medium and long term in the crops yield of economic interest. It appeared that the N cycle in soil and plant system is to much complex and the use of classical techniques associated with isotopic tracers methods is essential for the perfect understanding either of processes or the quantification of transformation rates of the element, in different compartments of the agroecosystems.

Conteúdo:

1. Introdução à isotopia. Definições básicas aplicadas ao uso de técnicas com isótopos estáveis de elementos leves. 2. O ciclo do nitrogênio. Reações de oxi-redução e transformações do nitrogênio em ecossistemas naturais e modificados. 3. Instrumentação para determinação de razão isotópica dos isótopos estáveis de nitrogênio (N-15/N-14). A espectrometria de massas por deflexão magnética (IRMS). A espectrometria de emissão (EE) - Analisadores de N-15. Técnicas de medidas para determinação de razão isotópica de nitrogênio. Métodos para determinações de abundância isotópica (% em átomos de N-15 ou de N-14) e variações naturais na razão isotópica de nitrogênio (N-15/N-14): a notação delta por 1000 de N-15 (delta N-15 por mil). 4. Técnicas de vácuo e instrumentações aplicadas em linhas de preparo de amostras para análise isotópica de nitrogênio; Métodos de preparo de amostras orgânicas e minerais destinadas à análise isotópica de nitrogênio. 5. Enriquecimento isotópico e produção de compostos marcados com o isótopo pesado de nitrogênio; Separação dos isótopos estáveis de nitrogênio pelo método de cromatografia de troca iônica; Produção de compostos orgânicos e inorgânicos enriquecidos em N-15. 6. Efeito dos Isótopos nas reações. Fracionamento cinético de isótopos estáveis de N e C em reações unidirecionais e de simples estágio, com reservatório infinito, e em sistemas abertos com reservatório finito, em sistemas fechados. Caracterização da abundância natural de N-15 (delta N-15 por mil) em solos e plantas. Variações na razão dos isótopos estáveis de carbono (delta C-13 por mil) em vegetais: influência da nutrição nitrogenada. 7. A técnica do traçador isotópico: princípio da diluição isotópica com uso das variações da razão isotópica natural (delta N-15 por mil) e de compostos marcados (enriquecidos ou empobrecidos em N-15).8. Técnicas com o traçador N-15 em estudos de quantificação da fixação biológica do nitrogênio (FBN). 9. Mineralização e imobilização de N no sistema solo-planta: procedimentos em experimentos com N-15. Determinação de taxas de mineralização, nitrificação e imobilização bruta de N no solo. Perdas por lixiviação; Eficiência de uso do nitrogênio de fertilizantes pelas plantas cultivadas. Absorção pelas plantas de N-fertilizantes em estudos com e sem interação. Interpretação de resultados de experimentos com N-15. A interação do N-15 adicionado ao solo (ANI). O conceito de quantidades disponíveis de nitrogênio no solo: o valor "A". 10. Balanço de nitrogênio no sistema solo-planta: Procedimento com a técnica do traçador N-15 em experimentação em vaso, lisímetro e em campo. 11. Técnicas com N-15 na avaliação de perdas gasosas de N do sistema solo-planta. Perdas do solo por volatilização de amônia. Perdas gasosas de nitrogênio pela folhagem dos vegetais. A desnitrificação. Definições de caminhos e identificação de produtos em experimentos com uso do traçador N-15.

Content:

1. Introduction to the isotopy. Basic definitions applied to the use of techniques with stable isotopes of light elements. 2. The nitrogen cycle. The redox reactions and nitrogen transformations in natural and modified ecosystems. 3. Instrumentation for determination of isotope ratio of stable isotopes of nitrogen (N-15 / N-14). The mass spectrometry with magnetic deflection (IRMS). The emission spectrometry (EE) - N-15 analyzer. Determination of isotope ratio of nitrogen by IRMS. Methods for determination of isotope abundance (atoms % 14N and 15N ) and natural variations measurements of nitrogen isotopes ratios (N 15 / N-14): the delta notation per mil N-15 (N-15 delta per thousand). 4. Vacuum techniques and instrumentations applied in lines of sample preparation for isotopic analysis of nitrogen; Methods of preparation of organic and mineral samples for isotope analysis of nitrogen. 5. Isotopic enrichment and production of compounds labeled with a heavy isotope of nitrogen; Separation of stable nitrogen isotopes by ion exchange chromatography method; Production of organic and inorganic compounds enriched N-15. 6. Isotope effects in reactions. Kinetic fractionation of stable isotopes of N and C in one-way reactions and single stage, with infinite reservoir and with open systems, and with finite reservoir in closed systems. Characterization of naturally occurring N-15 (N-15 delta per thousand) in soils and vegetation. Variations in the ratio of stable isotopes of carbon (delta C-13 per thousand) in plants: influence of nitrogen nutrition. 7. The technique of isotopic tracer: the principle of isotope dilution with use of natural variations in isotopes ratio (delta N-15 per thousand) and with use of labeled compounds (enriched or depleted in N-15). 8. N-15 tracer techniques in studies to quantify biological nitrogen fixation (BNF). 9. Mineralization and immobilization of N in the soil-plant system: procedures in experiments with N-15. Determination of mineralization rates, gross nitrification and gross N immobilization in the soil. Losses of N by leaching; Nitrogen use efficiency of fertilizers by plants. Measurements of plant absorption of fertilizer-N with and without interaction. Interpretation of results of experiments with N-15. The interaction of N-15 added to the soil (ANI effect). The concept of available quantities of nitrogen in the soil: the "A" value. 10. Nitrogen balance in the soil-plant system: Procedure with the technique of N-15 tracer in experiments developed in pots, lysimeters and field conditions. 11. N-15 techniques in the evaluation of gaseous N losses from the soil-plant system. Losses of N from soil by volatilization. Gaseous nitrogen losses by foliage of plants. The denitrification. Identification of paths and products in experiments with use of the N-15 tracer.

Forma de Avaliação:

Relatórios de aula-prática; monografias; seminários; provas escritas e provas na forma de teste rápidos.

Type of Assessment:

Reports of practice lesson; monographs; seminars; written tests and fast tests.

Observação:

ESTRATÉGIA DE ENSINO: Aulas expositivas; aulas teórico-práticas e aulas práticas. Discussão de assuntos em grupos de alunos. Apresentação de seminários pelos alunos, com análise crítica de artigos científicos.

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