Introdução
Esse documento apresenta o plano de gestão do Equipamento Multiusuário (EMU) Dual-Laser Trace Gas Monitor da empresa Aerodyne. O EMU permitirá acessar tecnicamente, algumas questões criticamente importantes de como a biodiversidade responde ao desmatamento em ambientes tropicais e, como se recupera dos efeitos do desmatamento, através de medidas espaciais e temporais da microbiota ativa na geração dos gases do efeito estufa, com ênfase no metano. A existência de uma história de colaboração entre pesquisadores nacionais e internacionais na área da biodiversidade e conservação de florestas facilitará os estudos derivados desse EMU. Espera-se, com isso, fortalecer o conhecimento para atuar através de escalas, fronteiras internacionais e comunidades disciplinares nas respostas a perguntas sobre questões fundamentais em relação à biodiversidade e mudanças ambientais globais. O projeto proposto irá também implementar: (1) parcerias internacionais para engajar estudantes na conservação da floresta tropical; (2) oportunidades de treinamento para estudantes em métodos modernos de cromatografia gasosa e isótopos associados aos gases de efeito estufa; (3) uso de novas ferramentas e abordagens para o estudo da biodiversidade microbiana associada à manutenção de florestas tropicais, com foco no sequestro de carbono via metano (utilização) e entendimento do papel da microbiota ativa nos processos de metanogênese e metanotrofia, aspectos pouco estudados em ambientes tropicais, com ênfase na mitigação do efeito dos gases de efeito estufa no ambiente agrícola.
Aplicações
O EMU irá preencher duas importantes lacunas no conhecimento em conservação da biodiversidade e aquecimento global pela emissão dos gases de efeito estufa, com foco em emissões de metano em áreas tropicais. Primeiro, irá fornecer informações sobre como as dimensões da biodiversidade microbiana estão inter-relacionadas nas associações com a microbiota metanogênica e metanotrófica, incluindo entre filogenia microbiana e características (representada pelos genes), entre características e função, e entre filogenia e as funções de produção (metanogênese) e utilização de metano (metanotrofia). Será possível então questionar se os padrões de diversidade filogenética microbiana também predizem padrões da ciclagem do metano, ou alternativamente, descobrir que o ciclo do metano é independente da filogenia dos microrganismos. Segundo, irá acessar a questão de como dimensões da diversidade microbiana respondem às mudanças ambientais e, se as respostas às mudanças ecossistêmicas são mediadas pela diversidade microbiana, ao introduzir a espectrometria isotópica nas medidas do gás metano, de forma a permitir uma avaliação mais abrangente para estipular a diversidade microbiana de qualquer ecossistema tropical, o mais compreensivo estudo das respostas microbianas às mudanças de uso do solo já documentado, e o desenvolvimento de uma nova abordagem para a integração da diversidade microbiana.
Destacamos que o Dual-Laser Trace Gas Monitor é modelo único, de fabricação específica, que gerou publicação por parte de participante do projeto US Biota Dimensions, como mentor de artigo publicado na revista Nature - McCaulley et al. (2014).
Descrição do Equipamento
O instrumento Aerodyne modelo CW-QC-TILDAS-200-D inclue dois sistemas a laser para a detecção de dois ou mais espécies de gases. Os lasers são termoeletricamente resfriados em umA câmara hermeticamente selada e opera em modo contínuo.
Este instrumento usa um sistema recentemente desenhado para comprimento de 200m de alcance, com 2L de volume, célula de absorção de múltiplo alcance para amostragens de atmosferas a um pressão de 30-60 Torr. Quando combinado com uma bomba de vácuo de 500L (opcional), obtém-se um tempo de resposta (1/e) de menos de 0,3 segundos.
Figura 1.: Diagrama esquemático do instrumento. A tabela ótica mede 43 x 64 cm, com dois sistemas TE-resfriado CW DFB-QCLs. O primeiro feixe possui objetivos Schwarzchild de 15x. Os dois feixes a laser estão combinados com um divisor de feixe dicróico (combinador IR-IR). O principal tem célula com comprimento de 200 m de alcance. Os dois feixes de referência são formados pela reflexão de um divisor de feixe BaF2 (RBS).
Dois detectores termoeletricamente resfriados são acoplados; um para análise da amostra e um para normalização da fase elétrica. A parte eletrônica consiste de controles de temperatura (laser) e de corrente elétrica e um sistema de aquisição computadorizada de dados com uma placa rápida D/A em um computador com sistema operacional Windows e um software específico para ARI TDLWINTEL para controle do instrumento e para aquisição de dados e análise. A taxa de aquisição de dados é ajustável de 1 Hz a 10 Hz. Calibrações com gás são feitas em intervalos, de forma automática. Os componentes óticos estão acoplados em uma placa ótica de 40 cm x 62 cm (Figura 1). Os sistemas óticos e eletrônicos estão montados em um rack de 19”, para operação em temperaturas ambientes entre 15-30oC.
Uma fotografia do sistema ótico combinado com o eletrônico é apresentada na Figura 2. O sistema a laser pode detectar uma grande variedade de traços de gases atmosféricos. Alguns desses gases são apresentados na Tabela. 1. As especificações para uma espécie particular de gás de interesse aparecem na próxima seção, contendo as Especificações Técnicas.
Figura 2.: Instrumento QC-TILDAS-DUAL contendo tabelas óticas e eletrônicas, com aquecimento controlado para manutenção da termoestabilidade.
As precisões e os limites de precisão são apresentadas na Tabela 1, baseados nos trabalhos publicados por Nelson et al., 2006; McManus et al., 2006; Zahniser et al., 2009, usando uma detecção CWRT QCL para NO2 a 1600 cm-1 com um comprimento ótico de 200 metros. Em muitos casos, um feixe a laser pode ser usado para detector simultaneamente mais de uma espécie, mas neste caso, há necessidade de especificar caso a caso.
Referências
Nelson, D.D. et al., Optics Let. 31, 2012-2014, 2006.
McManus, J.B. et al., Applied Physics B, 89, 445-516 (2006).
Zahniser et al., Proceedings SPIE 7222: 72220H1-72220H9 (2009).
Especificações Técnicas
O sistema duplo CW-QCL tem como especificações técnicas de leitura, descritas na Tabela 2:
Tabela 1. Gases atmosféricos (traços) que podem ser monitorados com CWQC dual lasers. Para cada espécie são apresentados o comprimento de onda ótimo (cm-1), a detecção nominal de precisão (ppt em 1 seg) e o limite de detecção (2 sigma em 100 seg), baseados em amostragens com 200 m de alcance.
Gas traço
| Onda
[cm-1]
| Precisão [ppt·Hz-1/2](a)
| LOD (100 s)
[ppt](b)
|
12CH4
| 1271
| 800
| --
|
13 CH4
| 1294
| 25
| 10
|
N2O
| 2188
| 30
| --
|
NO2
| 1600
| 10
| 5
|
HONO
| 1279
| 150
| 80
|
HCHO
| 1765
| 50
| 20
|
HCOOH
| 1766
| 80
| 40
|
NO
| 1900
| 40
| 20
|
OCS
| 2056
| 10
| 5
|
Tabela 2. Especificações técnicas de leitura pelo sistema CWQC dual lasers.
| CH4
| 13CH4 / 12CH4
| 12CH3D/ 12CH4
|
Frequência Laser
| ~3000 cm-1
| ~3000 cm-1
| ~3000 cm-1
|
Razão Mistura Ar Amb. (Atm)
| 1800 ppb
| -
| -
|
Precisão1
| 0,2 ppb (1s)
0,05 ppb (100s)
| 1.0 per mil (1 s)
0.2 per mil (100 s)
| 45 per mil (1 s)
10 per mil (100s)
|
Acuracidade Absoluta2
| <3%
| -
| -
|
Frequencia Amostragem3
| 1 Hz to 10 Hz
| …
| …
|
Fluxo célula (1/e)
Tempo de resposta3
| 0,3 to 1,3 segundos
| …
| …
|
1. A precisão é o desvio padrão de um dado, medido a uma razão de mistura do ar ambiente.
2. As concentrações absolutas são baseadas nas informações espectroscópica da área de absorção combinada com as medidas de pressão, temperatura e alcance de leitura na célula de absorção. Acuracicade absoluta pode ser melhorada com adições periódicas de gases de calibração usando válvulas solenoides automatizads (incluidas).
A frequência de amostragem de 1 a 10 Hz é a velocidade de processamento eletrônico. A constante do tempo de troca gasosa (1/e) em um volume de de 2L na célula de amostragem é tau=1,3 segundos sob vácuo de 100s litro-por-minuto (opcional).
Alocação do equipamento e apoio institucional
O equipamento será alocado no Laboratório Biologia Celular e Molecular no Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA) da Universidade de São Paulo (USP), Piracicaba, SP. Torna-se importante ressaltar que a Instituição se comprometeu a fornecer toda a assistência e infraestrutura necessárias para o pleno funcionamento do equipamento, conforme os formulários anexados no SAGE.
Capacidade técnica da equipe responsável
O equipamento estará sob a responsabilidade da Profa. Tsai Siu Mui, responsável pelo Laboratório de Biologia Celular e Molecular e Diretora do CENA-USP, e será operado por funcionários devidamente treinados e capacitados. Os funcionários acompanharão todo o processo de instalação do equipamento e participarão do treinamento.
Divulgação e visibilidade do EMU
Será realizada uma ampla divulgação entre todos os pesquisadores da unidade para apresentar equipamento aos potenciais usuários no CENA, ESALQ e demais Instituições do Estado de São Paulo. Além disso o equipamento contará com uma webpage no endereço:
http://www.cena.usp.br/pesquisa/emu/multiusuario2
Forma de acesso e uso do equipamento
Os procedimentos a serem seguidos pelos pesquisadores para terem acesso ao equipamento encontram-se detalhados na webpage do mesmo.
A admissão de usuários se dará por meio da análise de propostas de pesquisa que justifiquem a necessidade de utilização. As propostas serão avaliadas pelo comitê gestor.
O agendamento será realizado on line e será realizado levando-se em conta a disponibilidade do equipamento.
Comitê Gestor
1) Plinio Barbosa de Camargo
Centro de Energia Nuclear na Agricultura – CENA/USP
2) Fernando Dini Andreote
Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz - ESALQ-USP
3) Jorge Mazza Rodrigues
Universidade da California – UC-Davis, CA-EUA
Comitê Usuários
1) Marcelo Zacharias Moreira
Centro de Energia Nuclear na Agricultura – CENA/USP
2) Raimundo Cosme de Oliveira Junior
EMBRAPA – CPATU, Santarém – PA
3) José Mauro Rocha
Universidade Federal do Oeste do Pará – UFOPA, Belém-PA
4) Carlos Alberto Martinez Huama
Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras – FFCLRP/USP-SP
Projetos Associados
Dimensões US NSF-Biota-São Paulo: Pesquisa Colaborativa: Integrando as dimensões da Biodiversidade microbiana ao longo de áreas sob alteração do uso da terra em florestas tropicais.
Coordenação: Tsai Siu Mui, CENA/USP
Segurança Alimentar e uso da Terra: o desafio do Telecoupling.
Coordenação: Luiz Antonio Martinelli , CENA/USP
Implantação do Núcleo de Inovação Tecnológica: Metrologia e Qualidade na Agropecuária.
Coordenação: Elisabete A. De Nadai Fernandes, CENA/USP
Novas estratégias explorando técnicas nucleares, analíticas e biológicas para redução dos impactos das atividades agro-pecuárias no ambiente.
Coordenação: NAPTISA, CENA/USP
Projetos Complementares
Uso de plantas tropicais com característica defaunante como estratégia para diminuir a produção de metano ruminal e a emissão à atmosfera.
Coordenação: Adibe Luiz Abdalla, CENA/USP
Biodiesel co-products and bioactive plant metabolities for improving locally available feed in Brazilian sheep production as potential GHG mitigation strategies and improvement of productivity.
Coordenação: Adibe Luiz Abdalla, CENA/USP
XINGU - Integrando o planejamento do uso da terra e a governância da água na Amazônia: em busca da melhoria da segurança hídrica na fronteira agrícola do Mato Grosso.
Coordenação: Alex Vladimir Krusche, CENA/USP
O papel dos rios no ciclo de carbono na Amazônia.
Coordenação: Alex Vladimir Krusche, CENA/USP
Dinâmica do carbono, gases do efeito estufa e biodiversidade do solo na fase agrícola da produção de biocombustíveis.
Coordenação: Carlos Clemente Cerri, CENA/USP
