Strategies for obtaining composites fertilizers from the biological solubilization of minerals

Phosphate fertilizers are widely used to improve agricultural productivity. However, the process of producing these fertilizers involves high costs and can cause environmental damage. The application of phosphate solubilising microorganisms (PSM) has been considered a potential strategy to obtain biofertilizers by biological phosphate rock (PR) solubilization, but the efficiency of this process is still low. Thus, the objective of this work was to develop strategies to increase the solubilization of RF by the action of PSM using microbial culture processes by submerged route (SmC) and solid state (SSC), besides proposing new products employing the use of PSM as agent promoter. Initially the selection of a potential PSM was performed, in which the fungus Aspergillus niger was highlighted. Then, a new mechanical-biological strategy was evaluated to increase the solubilization of the PR. In this strategy, PR Bayóvar (sedimentary origin) was mechanically activated to decrease particle size, so the solubility can be increased as a result of the larger surface area together with the local pH change. The results showed an increase of solubility of 60% when using SmC and 115% in SEC. The mechanical activation strategy was also studied with the Itafós PR (igneous origin), which showed a different behavior of Bayóvar PR, with solubility gains of 57% by SmC and 45% by ESC. Also for the PR Itafós, a strategy was proposed using a system of solids supply by fed-batch integrated to the mechanical activation step increased the solubilization of this rock in 78%. In order to elucidate the mechanism of action in the biosolubilization process, a study was carried out to evaluated the effect of organic acids under different RF sources. The results showed that citric acid and oxalic acid are the organic acids with the greatest potential to solubilize PR. A synergistic relationship was found between citric/oxalic acids as well as oxalic/gluconic acids when presented in molar ratio of 1:1 and 2:1, respectively, that potentiates the solubilization. Using the knowledge obtained, a composite-fertilizer based on starch gelatinization was developed with simultaneous dispersion of PR particles mechanically activated and encapsulation of A. niger spores. The characterization of the composites showed a high degree of dispersion of the PR particles in the starch matrix, besides a considerable content of P2O5 between 10-22%. The solubility of the phosphorus contained in the composite was greater than 70% in only 96 h. In addition, the spores remained viable after processing and storage, ensuring a minimum shelf-time of two months. Due to the potential of this technology, composites-fertilizers were also developed from mineral oxides and elemental sulfur. The results showed that the matrix was capable of carrying a high load of oxides (ZnO, MnO and CuO) and elemental sulfur, as observed when using PR. The bio-activation experiments showed a high solubilization of the oxides when sulfur was used in the starch matrix. The final product obtained was a multi-nutrient granule source of Zn, Mn, Cu and S for the plants. The multi-nutrient composite was also evaluated in the soil-plant system and the results show that they were as efficient as the commercial sources used. Concludes, that the nanocomposite-fertilizers proposed in this work constituting an innovative concept of "bioreactor in granule" with many possibilities of application in the nutrition of plants.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fertilizantes fosfatados são amplamente utilizados para melhorar a produtividade agrícola. Entretanto, o processo de produção destes fertilizantes envolve altos custos e pode causar danos ambientais. A aplicação de microrganismos capazes de solubilizar fosfatos (MSP) tem sido considerada uma potencial estratégia para obter biofertilizantes via solubilização biológica da rocha fosfática (RF), porém, a eficiência desse processo ainda é baixa. Dessa forma, o objetivo desse trabalho foi desenvolver estratégias para aumentar a solubilização da RF pela ação de MSP usando processos de cultivo microbiano por rota submersa (CSm) e estado sólido (CES), além de propor novos produtos empregando o uso de MSP como agente promotor de solubilização. Inicialmente foi realizada a seleção de um potencial MSP, na qual o fungo Aspergillus niger se destacou. Em seguida, foi avaliada uma nova estratégia mecânico-biológica para aumentar a solubilização da RF. Nessa estratégia, a RF Bayóvar (origem sedimentar) foi ativada mecanicamente para diminuir o tamanho de partícula, assim a solubilidade pode ser aumentada em decorrência da maior área superficial juntamente com a alteração local do pH. Os resultados mostraram um aumento de solubilidade de 60% quando utilizado o CSm e 115% em CES. A estratégia da ativação mecânica também foi estudada com a RF Itafós (origem ígnea), a qual mostrou um comportamento diferente da RF Bayóvar, com ganhos de solubilidade de 57% por CSm e 45% por CES. Ainda para a RF Itafós, foi investigada uma estratégia utilizando fornecimento de sólidos por batelada alimentada integrada à ativação mecânica, que levou a aumento de 78% na solubilização desta rocha. A fim de elucidar o mecanismo de ação no processo de biosolubilização, realizou-se um estudo sobre o efeito dos ácidos orgânicos sob diferentes fontes de RFs. Os resultados mostraram que o ácido cítrico e oxálico são os ácidos orgânicos com maior potencial para solubilizar RF. Foi constatada sinergia entre os ácidos cítrico/oxálico e oxálico/gluconico quando presentes na razão 1:1 e 2:1, respectivamente, que potencializou a solubilização. A partir dos conhecimentos obtidos, desenvolveu-se um compósito-fertilizante baseado na gelatinização de amido com simultânea dispersão de partículas de RF mecanicamente ativadas e esporos de A. niger. As caracterizações dos compósitos mostraram um elevado grau de dispersão das partículas de RF na matriz de amido, além de um considerável teor de P2O5 entre 10-22%. A solubilidade do fósforo contido no compósito foi superior a 70% em somente 96 h. Além disso, os esporos mantiveram-se viáveis após o processamento e estocagem, garantindo um tempo de prateleira de no mínimo dois meses ao produto. Devido ao potencial dessa tecnologia, foram também desenvolvidos compósitos-fertilizantes a partir de óxidos de minérios e de enxofre elementar, os quais são importantes para a nutrição de plantas. Os resultados mostraram que a matriz foi capaz de comportar uma alta carga de óxidos (ZnO, MnO e CuO) e enxofre elementar, assim como observado quando utilizado a RF. Os experimentos de bio-ativação mostraram uma elevada solubilização dos óxidos quando utilizado enxofre na matriz de amido. O produto final obtido foi um grânulo multi-nutriente, fonte de Zn, Mn, Cu e S para as plantas. O compósito multi-nutriente também foi avaliado no sistema solo-planta e os resultados mostram que foi tão eficiente quanto as fontes comerciais utilizadas. Conclui-se que os nanocompósitos-fertilizantes obtidos neste trabalho constituem um inovador conceito de “biorreator em grânulo” como muitas possibilidades de aplicação na nutrição de plantas.CNPq: 142348/2014-0