Formação de minerais e liberação de elementos de rochas aluminossilicáticas promovidas pela rizosfera do milho

Tese (Doutorado em Ciências Ambientais)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB - Planaltina, Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais, Planaltina, 2020.A liberação de macro e micronutrientes de aluminossilicatos contribui significativamente para a nutrição das plantas e algumas rochas silicáticas podem, assim, atuar como fertilizantes de liberação lenta. O intemperismo desses minerais pode ocorrer em poucos dias sob a influência da rizosfera e alguns minerais primários formam minerais do tipo 2:1, como vermiculita e esmectita. Esses minerais apresentam características como alta carga permanente e superfície específica, e podem contribuir para a qualidade do solo, especialmente aumentando sua capacidade de troca catiônica. No entanto, a seleção de rochas silicáticas para uso agrícola não depende apenas do teor absoluto de nutrientes, mas da taxa de dissolução dos minerais e liberação dos nutrientes para as plantas. A atividade radicular é um fator determinante nesse contexto pois afeta as taxas de dissolução dos minerais das rochas, mas as taxas de intemperismo dependem do tipo e da proporção de minerais presentes. A maioria das pesquisas sobre rochas silicáticas como agrominerais concentra-se na avaliação agronômica do rendimento das culturas, porém são necessários novos estudos sobre o processo de intemperismo e a solubilização dos elementos sob a influência das plantas. O objetivo deste trabalho é investigar as taxas de liberação de elementos e os minerais neoformados pelo processo de biointemperismo promovidos pela rizosfera de milho nas rochas basalto, biotita xisto e biotita sienito. Experimentos em vasos foram realizados sob condições ambientais controladas em casa de vegetação. Amostras das rochas puras foram colocadas em vasos de 500 mL e duas plantas de milho foram cultivadas por vaso em conjuntos de três vasos, repetidos por sete ciclos de crescimento sucessivos de 45 dias cada, totalizando 315 dias de ação das raízes. As rochas e as plantas foram avaliadas após cada ciclo de crescimento. As rochas forneceram nutrientes às plantas em um curto período e as taxas de absorção dos elementos foram descritas por equações. Os elementos K, Ca, Mg, Al, B, Cu, Fe, Mn e Zn foram analisados na matéria seca e associados ao intemperismo dos minerais constituintes de cada rocha. A caracterização mineralógica e química das rochas, incluindo a capacidade de troca catiônica, foi discutida e relacionada à liberação e acúmulo de nutrientes pelas plantas. No estudo do basalto, a análise de difração de raios-X revelou diopsídio e andesina como os principais minerais da rocha. A esmectita presente no basalto contribuiu para a alta capacidade de troca catiônica. A mineralogia da rocha não se modificou durante o experimento e não foram detectados minerais cristalinos secundários após os sete ciclos ii de crescimento do milho. Os resultados indicaram que a dissolução dos minerais do basalto pela rizosfera de milho foi congruente ou formou novas fases precipitadas como amorfos e minerais de baixa cristalinidade. Imagens de microscopia eletrônica de varredura evidenciaram novos componentes amorfos resultantes do intemperismo induzido pela rizosfera. O crescimento do milho e o acúmulo de elementos diminuiu ao longo dos ciclos, provavelmente devido ao intemperismo de superfície e à dissolução de partículas muito pequenas nos ciclos iniciais, onde os nutrientes foram facilmente extraídos. Embora o biotita xisto tenha apresentado consideravelmente menos K em sua composição que o biotita sienito, as plantas cultivadas no biotita xisto produziram uma quantidade maior de matéria seca e acumularam mais K e Mg. Isso reflete o processo de intemperismo da biotita, condicionado pelos teores de Mg e Fe. O intemperismo da biotita no biotita xisto e no biotita sienito resultou em alterações mineralógicas na difração de raios-X. A mudança mais significativa nos difratogramas ocorreu na fração de tamanho de partícula < 53 μm, mas a fração entre 53 - 300 μm também apresentou alterações. Uma biotita-vermiculita interestratificada (hidrobiotita) foi observada nas duas rochas, como resultado do intemperismo da biotita e perda de K. Mas nas amostras de biotita sienito, a formação de hidrobiotita foi menor que no biotita xisto. O conteúdo de Mg e Fe(II) na estrutura do mineral biotita no biotita sienito, com alta relação Fe/Mg no sítio octaédrico, explica a menor taxa de formação de hidrobiotita pois a oxidação do Fe(II) da biotita no biotita sienito gerou um ambiente de intemperismo estável, impedindo a continuidade da liberação de K e a formação de cargas. No biotita xisto, o processo de intemperismo foi responsável por um aumento na capacidade de troca catiônica nas frações de tamanho < 300 μm. Esses materiais com maior capacidade de troca catiônica são particularmente importantes para o manejo de solos com pequena capacidade de retenção de cátions, como os Latossolos em ambientes tropicais.CAPESThe release of macro and micronutrients from aluminosilicate significantly contribute to plant nutrition. Thus, some silicate rocks could work as slow-release fertilizers. The weathering of these minerals can occur in a few days under the influence of the rhizosphere, and some primary minerals form new 2:1 type minerals, such as vermiculite and smectite, These minerals present characteristics such as high permanent charge and surface area, thus it could contribute to the increase of the soil quality, especially on building up of cation exchange capacity. However, the selection of sources for agricultural use does not depend only on the absolute nutrient content, but rather on the rate minerals dissolve and nutrients are available for plants. The root activity is a determining factor affecting dissolution rates of silicate minerals, but the weathering rates depend on the kind and proportion of minerals it contains. Most of the research on silicate rocks as agrominerals focuses on agronomic evaluation on crop yield, but investigations are required to understand the weathering process and the elements solubilization in a plant growth environment. The objective of this work is to investigate the release rates of elements and the newly formed minerals during the bioweathering of pure crushed rocks – basalt, biotite schist, and biotite syenite – promoted by maize rhizosphere. Pot tests were carried out under controlled environmental conditions in a greenhouse experiment. The pure rocks samples were placed into 500 mL pots, and two plants of maize per pot were grown in sets of three pots, repeated for seven 45-day growth cycles, totaling 315 days of root action. Rock materials and plants were evaluated at each successive growing cycle. The studied rocks provided nutrients to plants in the short term, and the offtake rates of elements were described by equations. The elements K, Ca, Mg, Al, B, Cu, Fe, Mn, and Zn were measured in the dry mass and associated with the weathering of minerals. Mineralogical and chemical characterization of the rocks, including cation exchange capacity, were discussed and were related to the release and offtake of nutrients by plants. In the basalt study, the X-ray powder diffraction analysis showed diopside and andesine as the main minerals of basalt. An amount of smectite was also present and contributed to the high cationic exchange capacity. Basalt mineralogy did not modify during the experiment and there were detected no secondary crystalline minerals after seven maize growth cycles. The dissolution of basalt minerals by maize rhizosphere was congruent or formed new phases precipitated as amorphous phases and low crystallinity minerals. Scanning electron microscopy images evidenced new amorphous components resulting iv from rhizosphere-induced weathering. The maize growth and the offtake of elements decreased over the cycles, probably due to the weathering of surfaces and dissolution of very small mineral particles in the initial cycles, where nutrients were easily extractable. In the subsequent cycles, a higher effort seems to be made to extract and acquire nutrients from basalt minerals. Although biotite schist presented considerably less K in its composition than biotite syenite, plants grown in biotite schist produced a higher amount of dry mass and accumulated more K and Mg. It reflects the weathering process of the biotite mineral, conditioned by Mg and Fe content. The weathering of biotite mineral in biotite schist and biotite syenite resulted in mineralogical changes. The most significant changes in X-ray diffraction patterns occurred in < 53 μm particle size fraction, but the 53 - 300 μm fractions also changed. An interstratified biotite-vermiculite mineral (hydrobiotite) was observed for both rocks as a result of biotite weathering and loss of K. For the biotite syenite samples, the formation of hydrobiotite was lower than with biotite schist. The Mg and Fe(II) contents on biotite mineral structure of the biotite syenite, with high Fe/Mg in octahedral site, explain the slow pace of hydrobiotite formation rate because the Fe(II) oxidation in the mineral of biotite in the biotite syenite has generated a stable weathering environment, preventing further K release and the formation of charge. In the biotite schist, the weathering process was responsible for an increase in the cation exchange capacity in the < 300 μm size fractions. These materials with permanent cation exchange capacity are particularly important for the management of soils presenting small cation retention capacity, such as tropical Oxisols