Sensor fixado às folhas monitora de modo contínuo perda de água em culturas agrícolas

Pesquisadores da USP criaram sensores fixados nas folhas (eletrodos vestíveis) que acompanham, em tempo real, a perda de conteúdo de água em culturas agrícolas. O novo método, testado em laboratório com soja e cana-de-açúcar, pretende apoiar a gestão de decisões na agricultura de precisão e permitir que ações preventivas e corretivas sejam aplicadas com maior eficiência em um intervalo de tempo reduzido sem interferir na saúde das plantas. A ideia foi inspirada no uso de biossensores para o monitoramento contínuo de doenças crônicas, como a diabete, que pode indicar de maneira precoce alterações na saúde.

Como os métodos utilizados no estudo de toxicidade em plantas são laboriosos e não permitiam o acompanhamento em tempo real da perda de conteúdo de água, a solução veio com o estudo Biocompatible Wearable Electrodes on Leaves toward the On-Site Monitoring of Water Loss from Plants. A pesquisadora Júlia Adorno Barbosa, do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), pertencente ao Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) em Campinas, desenvolveu os eletrodos vestíveis para as culturas agrícolas durante seu doutorado no Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da USP, sob orientação do pesquisador Renato Sousa Lima, do LNNano, professor da pós-graduação do IQSC.

No estudo foram criados sensores vestíveis foliares, ou seja, sensores que podem ser aderidos às folhas das culturas agrícolas para monitorar, na própria folha, a saúde vegetal. Segundo Lima, a aplicação do dispositivo é capaz de aprimorar a sustentabilidade das lavouras e promover o crescimento econômico, já que será possível acompanhar a eficiência dos agroquímicos e aumentar a segurança alimentar, além de monitorar a toxicidade desses produtos.

O dispositivo

O sistema é composto de três principais elementos. O primeiro é o eletrodo vestível que fica aderido na epiderme das folhas. O segundo, um equipamento portátil com um potenciostato, sistema eletrônico capaz de aplicar uma força elétrica, e, por fim, um smartphone para transmissão via bluetooth, acompanhamento e controle dos dados. A plataforma também pode ser acessada pela internet, tanto por um computador quanto pelo smartphone, em qualquer lugar e a qualquer momento, inclusive sendo possível o acompanhamento em tempo real das medidas.

Até o momento, foram realizados estudos de adesão dos sensores e, segundo o professor Lima, eles se mantiveram fortemente aderidos às folhas de soja a temperaturas diferentes em até 50ºC e ventos de até dois metros por segundo. Também foi determinada a taxa de perda de água das plantas em um período de 24 horas sob temperaturas variadas de 20 a 30ºC em estufas controladas.

Para tornar possível o teste do dispositivo em campo, os pesquisadores iniciaram estudos com intervalos de tempo maiores, entre dias ou semanas, e também sob condições ambientes variáveis entre temperatura e umidade. “No campo, na agricultura, os desafios são outros, por exemplo, a interferência da chuva, o uso de agroquímicos e a radiação solar. A nossa previsão é que no intervalo de 2 a 3 anos esses estudos possam ser concretizados para que nosso dispositivo possa ser utilizado em primeiros testes no campo”, explica Lima.

Vantagens e utilizações

Uma forma comum empregada para o monitoramento no campo são dispositivos que medem a umidade do solo e não das plantas. O novo dispositivo de eletrodos vestíveis, incorporados na epiderme das folhas, permite acompanhar a perda de conteúdo de água diretamente na planta e em tempo real, afirma Júlia.

Outro método muito utilizado são análises através de imagens feitas por drones verificando alterações fenotípicas nas folhas. “Essas alterações muitas vezes só se dão em um estágio muito avançado, enquanto que no nosso dispositivo é possível estimar um status de diagnóstico precoce em termos de variação de estresse hídrico, uma vez que as medidas eletroquímicas são extremamente sensíveis, dada a técnica que nós utilizamos para monitorar”, comenta Júlia.

Durante o trabalho, o sensor foi testado em folhas de soja e cana-de-açúcar, que possuem estruturas diferentes, segundo Júlia. Ela explica que as folhas de soja possuem uma rugosidade considerável devido aos tricomas – estrutura na epiderme vegetal responsável por diminuir a perda de água das folhas, entre outras funções – porém a espessura da camada limítrofe é bem inferior à da cana-de-açúcar, facilitando a polarização por intermédio do potenciostato. Para as folhas de cana-de-açúcar o sensor teve maior dificuldade devido à espessura da folha, o que foi resolvido de forma simples apenas aumentando o potencial aplicado pelo eletrodo. “Apenas ajustando os parâmetros do método analítico eletroquímico é possível medir com sensibilidade a perda de água em diferentes culturas”, conclui Júlia.

Eletrodo na folha aderido com auxílio da fita adesiva, já com conexão elétrica – Foto: Júlia Adorno Barbosa – CNPEM

Ensaios de biocompatibilidade

Uma das maiores dúvidas dos pesquisadores, segundo Júlia, era se a presença dos sensores vestíveis, a longo prazo, sob as folhas afetaria as funções biológicas das plantas como, por exemplo, a respiração e a transpiração. Outra preocupação era se o eletrodo alteraria a incidência de luz nas folhas, prejudicando o processo de fotossíntese.

Para verificar a biocompatibilidade a longo prazo dos eletrodos, foram realizados ensaios de simulação, no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), do CNPEM, em Campinas, utilizando uma planta controle – sem a presença do sensor – e outra com o sensor aderido ao longo de 27 dias. “Com isso, pudemos verificar que todas essas estruturas permaneceram inalteradas na região abaixo do eletrodo, permitindo a verificação de que o eletrodo não afetou em termos de distribuição e de transporte de nutrientes nas folhas. Tomando essa estrutura como base, podemos verificar que as funções da planta naquela região foram inalteradas”, finaliza Júlia.

Mais informações: e-mail julia.barbosa@lnnano.cnpem.br, com Júlia Barbosa

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