Síntese e caracterização de nanopartículas de hidroxiapatita usando escamas de tilápia (Oreochromis niloticus) para abordagem circular de fertilizante de fósforo

Resumo

Este estudo investigou a produção de nanopartículas de hidroxiapatita a partir de escamas de peixe calcinadas em diferentes temperaturas (400, 600, 800 e 1000°C), com o objetivo de avaliar o efeito da temperatura de calcinação na cristalinidade e sua influência na liberação de fósforo para aplicações agrícolas. A análise de difração de raios X (XRD) demonstrou que temperaturas de calcinação mais altas levaram ao aumento da cristalinidade e a tamanhos maiores de cristalito. As nanopartículas calcinadas a 600°C exibiram a maior concentração de fósforo e a cinética de liberação mais favorável. Foi descoberto que as nanopartículas de hidroxiapatita fornecem uma quantidade significativa de fósforo biodisponível às plantas. No entanto, o aumento da cristalinidade nas amostras calcinadas em temperaturas mais altas mostrou-se prejudicial ao desenvolvimento da planta, possivelmente devido a efeitos citotóxicos ou disponibilidade reduzida de fósforo.

Palavras-chave:
aplicações agrícolas; nanopartículas de hidroxiapatita; liberação de fósforo

INTRODUÇÃO

Enquanto a população cresce, aumenta a demanda por alimentos¹ e consequentemente a geração de resíduos agroindustriais². No entanto, o aumento da produção de alimentos é limitada devido a sua dependência de alguns recursos naturais, como água, solo e nutrientes³. Dentre os nutrientes, o fósforo (P) é um dos macronutrientes que mais limita o desenvolvimento das plantas em regiões tropicais^{4), (5}. A grande maioria dos solos tropicais apresenta baixa disponibilidade de P devido à forte reação deste com o solo, tornando o uso de fertilizantes contendo fosfato crucial para o desenvolvimento das atividades agrícolas^{6), (7}. Atualmente, o uso dos fertilizantes contendo fosfato na agricultura enfrenta alguns desafios⁸. Quando aplicados no solo, grande parte significativa do P interage quimicamente com outros componentes e fica indisponível para as plantas⁷. Para lidar com a sua baixa disponibilidade, os agricultores aplicam grandes quantidades de fertilizantes, que podem causar diversos impactos ambientais, uma vez que os nutrientes aplicados em excesso podem ser lixiviados para os corpos d´água, causando a sua eutrofização⁹. Além dos problemas mencionados, os fertilizantes a base de fosfato [PO₄]^3-, são provenientes de recursos naturais não renováveis e que estão se esgotando¹⁰. Devido a esses problemas, novas tecnologias precisam ser desenvolvidas para a utilização do P de forma eficiente e sustentável^{8), (11}, principalmente a partir de resíduos agroindustriais.

Além dos desafios agronômicos e ambientais relacionados ao uso de fertilizantes fosfatados, é fundamental considerar também os aspectos econômicos e sustentáveis envolvidos em sua produção. O Brasil ainda apresenta uma grande dependência da importação de fertilizantes, o que compromete a sua independência agrícola e torna o setor vulnerável a oscilações do mercado internacional. Nesse contexto, a Política Nacional de Fertilizantes, instituída em 2022, visa reduzir essa dependência por meio do incentivo ao uso de fontes alternativas e sustentáveis¹². A valorização de resíduos como insumos para fertilizantes promove a economia circular, agregando valor a subprodutos muitas vezes descartados como rejeitos¹³ A valorização de resíduos como insumos para fertilizantes promove a economia circular, agregando valor a subprodutos muitas vezes descartados como rejeitos, e está alinhada aos princípios ESG (Environmental, Social and Governance), contribuindo para uma agricultura mais resiliente e sustentável¹⁴.

Dentre as alternativas propostas até o momento, a nanotecnologia tem se destacado como uma alternativa viável para o desenvolvimento de diversos insumos agrícolas^{15), (16), (17), (18}. Os fertilizantes baseados em nanotecnologia oferecem diversas vantagens em relação aos fertilizantes tradicionais, como aumento do rendimento da cultura, entrega direcionada de nutrientes, maior solubilidade e absorção¹⁷. Devido a esses fatores, o uso dos nano fertilizantes pode mitigar os impactos ambientais, reduzindo a perda dos nutrientes por lixiviação ou fixação no solo^{16), (18), (19}.

As nanopartículas de hidroxiapatita são um mineral composto por fosfato de cálcio bastante utilizado em aplicações biomédicas²¹ e que estão cada vez mais despertando atenção como novas fontes de P para a agricultura^{16), (22), (23}. As nanopartículas de hidroxiapatita podem apresentar diferenças em sua carga elétrica superficial, morfologia e grau de cristalinidade de acordo com o precursor e método utilizado na síntese^{24), (25), (26), (27}. As nanopartículas de hidroxiapatita são menos solúveis em meios aquosos que os fertilizantes químicos comerciais, permitindo assim uma liberação mais lenta do P no solo. Existem diversos trabalhos que verificaram o uso de nanopartículas de hidroxiapatita como fonte de P na agricultura^{18), (22), (23), (28), (29), (30), (31), (32}. Porém, seu uso ainda é controverso e os resultados podem variar em função do tipo de planta²², tamanho das partículas³³ e características do solo³⁰. Devido a essas inconsistências, novos estudos devem ser realizados para verificar o seu potencial como fonte de P para substituir os fertilizantes convencionais²². Além disso, a maioria dos estudos realizados não aprofundaram nas características das nanopartículas de hidroxiapatita que podem influenciar o seu desempenho na agricultura, como grau de cristalinidade, tamanho do cristalito, teores de P total, P disponível e sua cinética de liberação.

Além do potencial uso agrícola, resíduos da tilápia, como peles e escamas, também vêm sendo valorizados como matéria-prima para a produção de biomateriais. As escamas da tilápia são naturalmente ricas em colágeno e hidroxiapatita, componentes que mimetizam a matriz óssea humana, permitindo sua aplicação na regeneração de tecidos. Reforçando que a reutilização de resíduos da piscicultura não apenas promove a economia circular, mas também abre caminho para aplicações tecnológicas sustentáveis em diferentes setores³⁴.

O uso de fontes de P provenientes de resíduos de origem animal tem sido proposta como uma alternativa sustentável para lidar com os problemas relacionados com escassez de P no futuro³⁴. A aquicultura é uma atividade que está em constante crescimento e sua produção, que deve chegar em 205 milhões de toneladas até 2032³⁵. Grande parte dos pescados são processados antes de serem comercializados, resultando em uma grande quantidade de resíduos, como cabeça, vísceras, barbatanas e escamas³⁶. Assim, as escamas são muito ricas em P e, geralmente, são tratadas como resíduo, ou seja, sem ter um uso definido ou com qualquer valor agregado e muitas vezes sendo um passivo ambiental.

O objetivo deste estudo foi investigar a produção de nanopartículas de hidroxiapatita a partir de escamas de peixes calcinadas em diferentes temperaturas (400, 600, 800 e 1000°C) e avaliar como a variação da temperatura de calcinação afeta a cristalinidade das partículas e sua capacidade de liberação de P para potenciais aplicações na agricultura.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para a extração da hidroxiapatita foram utilizadas escamas de tilápia (Oreochromis niloticus) fornecidas gentilmente pelo frigorifico Riviera, localizado em Perdizes, Minas Gerais, Brasil.

Nanopartículas de hidroxiapatita foram produzidas de acordo com a metodologia descrita por Deb et al. (2019)²⁵, com algumas adaptações. As escamas foram lavadas com água corrente e imersas em solução de HCl 1 mol L^-1 (Synth 36%) na proporção de 1:2 (P/V) (escama e solução) em temperatura ambiente (26°C) por 24 horas. Em seguida, as escamas foram coletadas com auxílio de uma peneira, lavadas com água destilada e adicionadas em solução de NaOH 1 mol L^-1 (Neoquimica 98%) na proporção de 1:2 (P/V, escama e solução) em temperatura ambiente (26°C) por 5 horas. Após esses procedimentos as escamas foram secas em estufa (7lab modelo ssdic-150 L) a 80°C por 24 horas, trituradas em moinho de facas (Lucadema - modelo Luca 226/2) e então calcinadas em forno (Jung modelo LE02312) com diferentes temperaturas (400, 600, 800, 1000°C) por 3 horas. Foi utilizada uma taxa de aquecimento de 10°C por minuto e decorridas as 3 horas as amostras permaneceram no forno desligado até a temperatura ambiente.

A análise termogravimétrica das escamas de peixes foi realizada em um equipamento da marca TA Instruments, modelo Q500. As amostras foram submetidas ao aquecimento da temperatura ambiente até 1000°C, utilizando uma taxa de aquecimento de 10°C min^-1 com o fluxo de ar sintético de 60 mL min^-1.

Os diferentes materiais produzidos foram submetidos a análises semiquantitativas por difratometria de raios X [DRX), realizadas em um difratômetro Shimadzu®, modelo LabX XRD-6000 utilizando radiação CuKα de λ=1,5406 Å. Para as análises foram utilizadas as condições de m θ-2θ com 2θ variando de 25 a 65°, velocidade de varredura contínua de 1° min^-1.

A cristalinidade (Xc) das amostras foram determinada a partir do padrão do DRX usando a equação 1. O tamanho dos cristais (d) foram determinados utilizando a equação de Scherrer (equação B)³⁸.

Equação A - Equação utilizada para calcular a porcentagem de cristalinidade da HAp.

$Xc=1-\frac{Ac}{Atotal}\times 100$

Onde Grau de cristalinidade (Xc), área cristalina dos picos (Ac) e área total dos picos (Atotal).

Equação B - Equação de Scherrer usada para calcular o tamanho dos cristais da hidroxiapatita.

$d=\frac{k\lambda }{\beta \cos \left[\theta \right]}$

Onde k é a constante de Scherrer (0,9), λ é o comprimento de onda da fonte de raios X, b é a largura total à meia altura [FWHM) e θ é o ângulo de difração.

As análises de espectroscopia de absorção na região do Infravermelho (FTIR) foram realizadas em um equipamento Bruker VERTEX FT-IR utilizando um cristal de ZnSe, leitura na faixa de 4000 e 400 cm^-1, número de varreduras de 32 e com resolução de 4 cm^-1.

As imagens por microscopia dos materiais foram obtidas utilizando um microscópio eletrônico de varredura (JEOL® modelo 27 6701F). Para a análise as amostras foram depositadas no porta amostras e revestidas com ouro (~5nm) em atmosfera de argônio.

A área superficial especifica dos materiais foi determinada pelo método BET (Brunauer, Emmett e Teller) utilizando um equipamento ASAP 2020 (Micrometrics). Antes das análises os materiais foram aquecidos a 100°C, até atingir a pressão de 10 mmHg. Após, foi realizada a leitura a pressões relativas (P/P0) pré-determinadas pelo software [0,0500; 28 0,1125; 0,1750; 0,2375 e 0,3000) e o valor da área específica foi determinada por meio da isoterma de B.E.T.

Para a determinação do teor de P total, foram obtidos conforme a metodologia descrita por Xiong et al. (2018)³⁹. Resumindo, os extratos das amostras foram obtidos após a dissolução das amostras em HNO₃ concentrado 70%, seguido de sua digestão Após a obtenção do extrato, o teor de fósforo total foi quantificado por espectrometria de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente (ICP-OES, Spectro Blue, Spectro Analytical Instruments, Germany).

Os teores de P solúvel em ácido cítrico foram determinados de acordo com o método descrito por Singh et al. (2017)⁴⁰. A extração do P solúvel em solução de ácido cítrico a 2% foi feita na proporção 1:100 (P/V) (200 mg/2 mL) sobre agitação por 30 min seguido de sua filtragem. Após, o filtrado contendo as frações de P solúveis foram quantificadas por espectrometria de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente (ICP-OES, Spectro Blue, Spectro Analytical Instruments, Alemanha).

A cinética de liberação de P dos diferentes materiais foi determinada utilizando tubos Falcon de 16 mL contendo 15 mL de solução de ácido cítrico (2%, m/v) e 50 mg das amostras. Após a adição das amostras na solução, os tubos foram incubados na temperatura 25°C sobre agitação tangencial de 100 rpm. Foram coletadas alíquotas de 5 mL do sobrenadante de cada amostra em diferentes intervalos de tempo (2, 4, 8, 12, 24, 48, 72, 96, 120 e 144 horas). As alíquotas coletadas foram filtradas e analisadas por espectrometria de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente conforme descrito anteriormente. Os ensaios foram conduzidos em triplicada, sendo utilizados 3 tubos de cada amostra, para cada coleta.

Os dados da liberação controlada do P das amostras foram modelados utilizando o software (Statistica - Statsoft South America) seguido dos testes dos modelos matemáticos de dissolução propostos por Korsmeyer-Peppas (equação C) e Peppas-Sahlin (equação 4)⁴¹.

Equação C - Equação de Korsmeyer-Peppas

$K{t}^n=\frac{Mt}{M_{\infty }}$

Mt=quantidade de substância liberada no tempo t; M∞=quantidade de substância liberada em um período de ∞; K=constante de liberação de Korsmeyer-Peppas.

Equação D - Equação de Peppas-Sahlin

$K{t}^n=\frac{Mt}{M_{\infty }}=K_{1t}m+K_{2t}2m$

Mt=quantidade de substância liberada no tempo t; M∞=quantidade de substância liberada em um período de ∞; M=expoente de liberação; K=constante de liberação de Korsmeyer-Peppas; K₁, K₂=constantes de taxa e coeficientes de correlação.

Experimentos usando alface como planta teste foram realizados em casa de vegetação coberta por tela de sombreamento com 50% de interceptação de luz, localizado na Universidade Federal de Lavras (UFLA) Minas Gerais-Brasil (-21,226637; -44,972806). O experimento foi conduzido durante o verão, com temperatura variando de 27 a 35 ◦C (dia/noite) e com fotoperíodo de cerca de 14 horas de luz e 10 horas de escuro. As sementes de alface foram plantadas em sementeiras contendo substrato e foram transplantas em os vasos de 300 mL preenchidos com vermicula ou substrato após 15 dias do plantio. Durante a realização do experimento os vasos foram regados diariamente para repor a água evapotranspirada e manter um nível de umidade ideal no substrato. Foram realizados experimentos com dois tipos de substrato vermiculita, utilizada como substrato inerte, sem nutrientes ou outras substâncias que possam interagir com a nanopartícula de hidroxiapatita; e um substrato fértil, que contém nutrientes e outras substâncias capazes de interagir com as nanopartículas de hidroxiapatita.

Os vasos preenchidos com vermiculita (carolina soil) foram dispostos de forma inteiramente casualizada com 6 tratamentos (controle, escamas tratadas, escamas calcinadas em 400°C escamas calcinadas em 600°C, escamas calcinadas em 800°C e escamas calcinadas em 1000°C), contendo 10 repetições cada. A adubação foi realizada utilizando 27 mL de uma solução nutritiva concentrada de Hooglend and Arnon (1950)⁴² sem o uso de fonte de P e dividida em duas aplicações (1° e 15° dia de cultivo). Para o preparo da solução de Hoagland sem a fonte de P, o fosfato de amônio foi substituído pelo nitrato de amônio (800 mg/L de NH₄NO_3, 6060 mg/dm³ de KNO_3, 4930 mg/L de MgSO₄ 7H₂O, 9446 mg/L de CaNO₃ 4H₂O_, 111 mg/L de FeSO₄ 7H₂O, 1,12 mg/L de MnSO₄ 7H₂O, 1,08 mg/L de ZnSO₄ 7H₂O, 0,416 mg/L de CuSO₄ 5H₂O e 0,343 mg/L de Na₂MoO₄ 7H₂O). O tratamento controle, não recebeu nenhuma fonte de P. Os demais tratamentos receberam diferentes quantidades de amostras para igualar a mesma dosagem de P total (310 mg/L ou 93 mg de P total por vaso de 300 mL).

Os vasos preenchidos com substrato da Carolina Soil [70% Turfa de Sphagno, 30% vermiculita, calcário, CE 0,7 mS/cm, pH 5,5 e densidade seca (kg/m³) 130]. Os vasos foram dispostos de forma inteiramente casualizados com 6 tratamentos (Controle, escamas tratadas, escamas calcinadas em 400°C, escamas calcinadas em 600°C, escamas calcinadas em 800°C e escamas calcinadas em 1000°C), contendo 10 repetições cada. O tratamento controle não recebeu nenhuma fonte de fósforo. Os demais tratamentos receberam diferentes quantidades de amostras para igualar a mesma concentração de fósforo total (310 mg/dcm³ ou 93 mg de fósforo total por vaso de 300 mL).

Após 33 dias de cultivos as plantas foram retiradas dos substratos, a parte aérea foi separada das raízes e foram pesadas individualmente para determinar a massa fresca. Após a pesagem, ambas as partes foram secas individualmente em estufa a 60°C por 48 horas seguido de sua pesagem para determinar a massa seca. Com o peso da massa fresca e massa seca foram determinados o teor de umidade das folhas e das raízes pela diferença das massas (umidade%=[massa fresca-massa seca/massa fresca)*100).

Os dados obtidos nos experimentos foram submetidos ao teste de Shapiro Wilk para normalidade, e o teste de Levene para homoscedasticidade. Os dados paramétricos foram analisados por ANOVA seguido do teste de Tukey a 5% de probabilidade. Os dados não paramétricos foram analisados por Kruskal-Wallis a 5%. Para análise dos dados foi utilizado o software Infostat.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A análise termogravimétrica das escamas tratadas (Figura 1) mostra inicialmente uma perda de massa de 12% entre 38 e 150°C, que está relacionada com a evaporação de voláteis⁴³. Em seguida, é observada a decomposição térmica da amostra de 252 até 600°C, que ocorrem em duas etapas a primeira etapa ocorre de 252 até 400°C e apresenta o pico de decomposição térmica em 293°C. Essa primeira etapa está relacionada principalmente com a degradação de compostos como colágeno, tecido conjuntivo e demais proteínas²⁶. A segunda etapa ocorre de 400 até 600°C e apresenta dois picos de decomposição térmica (532 e 580°C) e estão relacionados com a degradação térmica de componentes orgânicos, principalmente guanina⁴⁴. Em temperaturas mais elevadas, entre 600 e 1000°C, ocorre uma pequena variação de massa que pode estar relacionada com as alterações dos carbonatos da estrutura cristalina da hidroxiapatita⁴⁵.

Figura 1
Análise termogravimétrica (TGA) das escamas de peixe tratadas.

A análise de DRX (Figura 2) revela que a calcinação das escamas de peixes nas temperaturas de 600, 800 e 1000°C possibilitou a formação da hidroxiapatita, conforme identificado pelo registro cristalográfico JCPDS no. 00-009-0432. Para essas amostras, foram observados picos característicos da hidroxiapatita nos planos hkl de 002, 210, 202, 222, 213, 004^{43), (46}. No entanto, a intensidade dos picos da difração das amostras obtidas variou com as diferentes temperaturas de calcinação, e foram mais definidos conforme o aumento da temperatura até 1000°C. Essa maior definição dos picos sugere uma maior organização da rede cristalina das partículas de hidroxiapatita proporcionada pela energia térmica⁴³.

Figura 2
Difratogramas de raios X (DRX) das escamas de peixe tratadas e escamas calcinadas em diferentes temperaturas.

Os dados apresentados na Tabela 1 indicam o aumento do grau de cristalinidade em função do aumento da temperatura, que pode estar relacionado com a decomposição progressiva da fase orgânica, liberação de água e grupos de carbonatos que favoreceu a formação dos cristais de hidroxiapatita⁴⁶. As dimensões calculadas dos cristalitos apresentaram uma relação direta com o aumento da temperatura, onde houve o aumento do tamanho do cristalito com o aumento da temperatura de calcinação.

Tabela I
Parâmetros das escamas de peixes tratadas e das nanopartículas de hidroxiapatita calculados a partir da análise de Difração de Raios-X (DRX).

Amostra	Tamanho do cristal (nm)						Grau de cristalinidade (%)
	Plano
	002	210	202	222	213	004
Escamas calcinadas a 400°C	-	-	-	-	-	-	36
Escamas calcinadas a 600°C	1.44	37.51	17.20	3.21	22.64	34.95	71
Escamas calcinadas a 800°C	31.43	37.60	13.07	20.87	36.71	37.27	97
Escamas calcinadas a 1000°C	55.17	55.65	43.24	42.21	48.96	44.32	97

Os resultados obtidos nesse estudo estão de acordo com os dados da literatura que descrevem um aumento do tamanho do cristalito e do grau de cristalinidade com o aumento da temperatura de calcinação⁴⁶.

A Figura 3 mostra os espectros do FTIR das escamas tratadas e das escamas calcinadas em diferentes temperaturas. As escamas de peixe tratadas apresentaram bandas de transmissão nos comprimentos de onda de 1629, 1540 e 1240 cm^-1 que correspondem, respectivamente, a amida I (C=O), amida II (N-H) e amida III (C-N) presentes no colágeno tipo I⁴⁸. Também foi observada a presença das bandas em 1450 cm^-1, que corresponde ao anel de pirrolidina na prolina e hidroxiprolina⁴⁹ e uma banda larga entre 740 e 450 cm^-1, abrangendo a região correspondente às bandas características do fosfato (602 e 566 cm^-1)⁴⁸. Após o processo de calcinação, as bandas de transmissão referentes aos compostos orgânicos estão ausentes no espectro de FTIR devido a decomposição térmica conforme demonstrado na análise termogravimétrica.

Figura 3
Espectro FTIR das escamas de peixe tratadas e escamas calcinadas em diferentes temperaturas.

Para as escamas calcinadas em 600, 800 e 1000°C é possível observar a presença de novas bandas características dos grupos funcionais da hidroxiapatita. As bandas em 602 e 566 cm^-1 referentes a flexão dos íons de fosfato (PO₄ ^3-)⁴⁷, em 954 cm^-1 para o alongamento simétrico, e as bandas em 1027 e 1087 cm^-1 para o alongamento assimétrico do PO₄ ³⁽⁵². Bandas de transmissão presentes entre 1500 e 1350 cm^-1 podem estar relacionadas ao grupo carbonato³⁸, enquanto a banda 1464 cm^-1 é atribuída ao alongamento assimétrico do CO₃ ^2-(53, sendo um indicativo de que a hidroxiapatita obtida é carbonatada do tipo B⁴⁷. Também foram encontradas bandas no comprimento de onda de 3660 cm^-1 referentes a hidroxila (OH^-)^{52), (54}. Para as amostras calcinadas em 600 e 800°C, também foram encontradas bandas em 877 cm^-1 que também são referentes ao alongamento assimétrico do CO₃ ^2-(52. A presença de grupos carbonato substituindo os íons fosfato caracteriza a formação de hidroxiapatita tipo B, enquanto a substituição dos íons hidroxila gera a hidroxiapatita tipo A. A hidroxiapatita tipo B, obtida neste estudo, possui menores teores de P, porém, é geralmente mais solúvel do que a tipo A, sendo essa característica associada à menor estabilidade da estrutura cristalina devido à substituição do PO₄ ^3- pelo CO₃ ^{2-(55), (56}. Embora possua uma menor concentração de P, a sua maior solubilidade, pode favorecer a liberação de fósforo no solo, sendo desejável para aplicações como fertilizante. Em contraste, a hidroxiapatita tipo A apresenta maior estabilidade térmica e menor solubilidade em meio aquoso, sendo mais adequada para aplicações biomédicas onde a reabsorção lenta é necessária.

A superfície das escamas de peixe tratadas na natureza e após calcinação foi avaliada pelas propriedades texturais apresentadas na Tabela II. Inicialmente, foi verificado que as escamas de peixe tratadas não apresentaram porosidade nem área de superfície detectável. Embora a técnica de BET seja capaz de analisar materiais micrométricos e até mais grosseiros, a ausência de área detectável pode estar relacionada à morfologia compacta e à baixa porosidade superficial das partículas, limitando o acesso do gás adsorvente. Em relação ao tratamento de calcinação, todas as partículas apresentaram uma área de superfície baixa, atribuída ao procedimento realizado. O tratamento de calcinação é realizado em uma única etapa, o que leva à degradação direta dos compostos orgânicos e à consequente reorganização da estrutura para formar a hidroxiapatita. No entanto, a amostra de escamas calcinadas a 600°C apresentou o maior valor de área de superfície de 2,648 m² g^-1 e volume de poros de 0,018542 cm³ g^-1. Esse resultado pode ser correlacionado ao fato de que a estrutura de hidroxiapatita é formada a essa temperatura após a eliminação dos compostos orgânicos (Figura 1). Apesar de a literatura relatar que materiais nanoestruturados apresentam altas áreas superficiais, os baixos valores obtidos neste estudo indicam que, embora haja formação de cristais nanométricos conforme indicado pelo tamanho de cristalito (Tabela I), a tendência de aglomeração das partículas, associada à densificação promovida pela calcinação, resulta em uma área superficial relativamente baixa.

Tabela II
Análise textural por resultados de fisissorção/desissorção das escamas de peixe tratadas e calcinadas com diferentes temperaturas.

Amostra	BJH - Área superficial (m2g-1)	Volume de poros (cm3g-1)	Tamanho dos poros 4V A-1 (Å)
Escamas tratadas	-	-	-
Escamas calcinadas a 400°C	0,694	0,004714	271
Escamas calcinadas a 600°C	2,648	0,018542	280
Escamas calcinadas a 800°C	0,028	0,000705	1013
Escamas calcinadas a 1000°C	0,038	0,001156	1212

As análises morfológicas das escamas tratadas (Figura 4A) mostram uma estrutura fibrosa, densa e compacta, que provavelmente está relacionada com a estrutura do colágeno presente nas escamas. Com o aumento da temperatura de calcinação, foi possível observar o surgimento das nanopartículas de hidroxiapatita. Para as escamas calcinadas a 400°C (Figura 4B), o surgimento das nanopartículas foi discreto e estas estavam aderidas em um material denso, que pode ser parte do colágeno e matéria orgânica que não foi completamente eliminada com o processo de calcinação a 400°C⁴³. A matéria orgânica residual observada nas escamadas calcinadas a 400°C justificam a sua estrutura amorfa observada no DRX, bem como sua baixa área superficial e volume de poros apresentados no BET. Aumentando a temperatura para 600 (Figura 4C), 800 (Figura 4D) e 1000°C (Figura 4E), é possível observar um aglomerado de nanopartículas de hidroxiapatita livre de matéria orgânica. Embora as análises por MEV revelem a presença de aglomerados de partículas na faixa nanométrica após os tratamentos térmicos, os valores de área superficial apresentados por BET indicam que essas partículas não estão suficientemente dispersas para proporcionar uma superfície específica elevada, que geralmente é observada para os materiais em escala manométrica. Essa discrepância pode ser explicada pela tendência das nanopartículas de hidroxiapatita a se aglomerarem após a calcinação, formando estruturas compactas. Dessa forma, apesar da morfologia nanométrica observada no MEV, a baixa área de superfície medida sugere que o material não apresenta uma nanoestrutura verdadeiramente desenvolvida do ponto de vista textural. Assim, é mais apropriado descrever o material como contendo partículas em escala nanométrica, mas não necessariamente como um material nanoestruturado.

Figura 4
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) das escamas de peixe tratadas e escamas calcinas em diferentes temperaturas escama tratada (A), escamas calcinadas a 400°C (B), escamas calcinadas a 600°C (C), escamas calcinadas a 800°C (D), escamas calcinadas a 1000°C (E).

As menores concentrações de P total foram encontradas para as escamas tratadas seguido das escamas calcinadas em 400°C (tabela III). As escamas calcinadas em 600°C, 800°C e 1000°C apresentaram concentração de P total sem diferença significativa (p<0,05) (Tabela III). A maior concentração de P solúvel em ácido cítrico foi encontrada para as escamas calcinadas a 600°C, seguido das escamas calcinadas a 400°C. A menor concentração de P solúvel em ácido cítrico foi encontrada para as escamas tratadas (tabela III). Todas as amostras apresentam uma menor concentração de P solúvel em ácido cítrico em relação ao P total. A menor concentração de P total e solúvel para as escamas tratadas está relacionado com a baixa concentração de compostos inorgânicos e elevada concentração de compostos orgânicos, conforme apresentado na TG e no MEV. A fração de P disponível solúvel foi mais elevada para as escamas calcinadas 400°C seguido das escamas tratadas. A fração de P disponível solúvel para as amostras calcinadas em temperaturas acima de 600°C foi reduzindo gradativamente com o aumento da temperatura.

Tabela III
Concentração de fósforo total e fósforo dissolvido encontrados nos diferentes materiais (média±desvio padrão).

Material	Fósforo total (g/kg)	Fósforo disponível (g/kg)
Escamas tratadas	2,137±0,01 cA	1,77±0,03 eB
Escamas calcinadas a 400°C	87,41±1,08 bA	77,32±0,90 bB
Escamas calcinadas a 600°C	194,50±5,08 aA	94,52±0,59 aB
Escamas calcinadas a 800°C	201,19±10,47 aA	69,74±0,99 cB
Escamas calcinadas a 1000°C	208,7±11,79 aA	62,03±0,67 dB

• os resultados seguidos por letras diferentes indicam uma diferença significativa (p<0,05) pelo teste de ANOVA seguido do teste de Tukey a 5%. Letras maiúsculas indicam uma diferença significativa (p<0,05) entre o fósforo total e o fósforo disponível do mesmo tratamento. Letras minúsculas indicam uma diferença significativa entre o fósforo total, fósforo disponível ou a fração de fósforo disponível entre os diferentes tratamentos (p<0,05).

Os resultados obtidos sobre o P total e solúvel indicam que o processo de calcinação eliminou os compostos orgânicos, aumentando a concentração do P total devido a maior fração de componentes inorgânicos nas amostras. O processo de calcinação a 600, 800 e 1000°C, eliminou os compostos orgânicos e favoreceu a formação da hidroxiapatita. Junto com a sua formação, o aumento da temperatura de calcinação ocasionou o aumento do grau de cristalinidade e tamanho do cristalito como mostrado no DRX, que dificultam a liberação do P e reduziram a fração do disponível solúvel em ácido cítrico nessas amostras⁵⁷. Dentre as amostras de hidroxiapatita produzidas, aquela produzida de escamas calcinadas em 600°C foi a que apresentou a maior concentração de P solúvel, que pode estar relacionada com o seu menor grau de cristalinidade e maior área superficial e porosidade. Renda et al. (2023)⁴⁷ estudaram a liberação do P em amostras de hidroxiapatita obtidas de ossos de tambaqui em 2 temperaturas distintas (900 e 600°C) e observaram que a hidroxiapatita obtida em temperatura de 600°C apresentou maior disponibilidade de P que as obtidas na temperatura de 900°C e, que também podem estar relacionado com o menor grau de cristalinidade dessa hidroxiapatita. Dessa forma, os dados de FTIR, em conjunto com os resultados de DRX, BET e cinética de liberação, indicam que a hidroxiapatita produzida a 600°C possui características típicas da tipo B, favorecendo sua aplicação como fertilizante com maior disponibilidade de fósforo.

O perfil de liberação de P das diferentes amostras (Figura 5) mostra uma liberação gradual desse nutriente para todas, sendo que grande parte do P foi liberado nas primeiras horas do ensaio. Ao comparar a concentração do P liberado entre as amostras, é possível observar que ocorreu uma menor liberação de P para as escamas tratadas, enquanto maior liberação foi observada para as escamas calcinadas em 600°C, seguidos das amostras calcinadas em 800, 1000 e 400°C. Esses resultados mostram que o perfil de liberação do P foi influenciado pela concentração do P total e solúvel nas amostras. As amostras de nanopartículas de hidroxiapatita obtidas (escamas calcinadas em 600, 800 e 1000°C) apresentaram concentrações de P total estatisticamente semelhantes. Porém, a amostra calcinada em 600°C apresentou a maior liberação de P no ensaio de cinética, que são justificados devido a sua maior área superficial, porosidade, concentração de disponível solúvel em ácido cítrico e menor grau de cristalinidade e tamanho de cristalito, conforme discutido anteriormente. A menor liberação observada para a amostra calcinada a 400 °C, mesmo apresentando baixa cristalinidade, pode estar associada à conversão incompleta da escama em hidroxiapatita nessa temperatura por isso a baixa cristalinidade não teve o mesmo efeito que para as demais amostras calcinadas.

Figura 5
Cinética de liberação de fósforo das escamas de peixe tratadas e escamas calcinas em diferentes temperaturas.

Na Tabela IV é possível observar os ajustes dos parâmetros cinéticos obtidos com o ajuste dos modelos matemáticos de Korsmeyer-Peppas e Peppas-Sahlin. Todas as amostras se ajustaram aos dois modelos testados, sendo que o modelo de Peppas-Sahlin, apresentou um maior valor de R² para todas as amostras. O valor de R² foi maior para as escamas tratadas (0,99). As escamas calcinadas em 400 e 600°C apresentaram valor de R² semelhantes (0,76). O menor valor de R² foi encontrado para as escamas calcinadas em 1000°C (0,59), mostrando que os dois modelos ajustaram melhor para as amostras com maior fração de P solúvel. Os dois modelos apresentaram M e N<0,5, mostrando que as amostras apresentaram a liberação do P de acordo com a difusão tipo fickiano. Para o modelo de Korsmeyer-Peppas, escamas calcinadas em 600°C apresentaram o maior valor de K, enquanto o menor valor de K foi encontrado para as escamas calcinadas em 1000°C, mostrando que o P foi liberado de forma mais rápida para escamas calcinadas em 600°C e que também está relacionado ao seu menor grau de cristalinidade. A equação de Peppas-Sahlin é uma extensão da equação de Korsmeyer-Peppas, que permite verificar o perfil de liberação com mais detalhes⁴¹. Esse modelo foi proposto originalmente para descrever sistemas controlados de liberação de fármacos, mas que pode ser aplicada de forma análoga à liberação de nutrientes⁵⁸. Neste modelo, K₁ representa a constante associada ao processo de difusão do elemento (neste caso, o fósforo), enquanto K₂ está relacionada ao relaxamento da matriz, que em sistemas poliméricos representa a contribuição da erosão ou inchaço. No presente estudo, considerando que as matrizes não são poliméricas, mas inorgânicas e rígidas, o termo K₂ assume valores baixos e sua contribuição é mínima ou nula, o que é coerente com a dominância do processo de difusão Fickiana (valores de K₁>K₂ em todas as amostras)⁵⁹. Assim, tanto K₁ quanto K₂ estão associados à liberação do mesmo elemento (fósforo), mas descrevem mecanismos distintos difusão (K₁) e possíveis mudanças estruturais da matriz (K₂), sendo este último pouco representativo neste caso. Nesse modelo, ao comparar o valor de K₁ e K₂ das amostras, é possível observar que o valor de K₁ foi mais elevados para todas as amostras, mostrando que a liberação do P está associado ao processo de difusão Fickiana⁶⁰, que pode estar associado a ausência de polímeros capazes de fazer o relaxamento polimérico nas matrizes estudas. Ao comprar os valores de K₁ e K₂ entre as amostras, é possível observar o comportamento similar ao K apresentado pela equação de Korsmeyer-Peppas, onde o maior valor de K₁ foi encontrado para as escamas calcinadas em 600°C. Estudos recentes reforçam a viabilidade do uso dos modelos de Peppas-Sahlin e Korsmeyer-Peppas em sistemas agronômicos, especialmente na liberação controlada de nutrientes a partir de fertilizantes de liberação lenta ou fontes organomineral fosfatado^{58), (59), (61}.

FRMa $K{t}^n=\frac{Mt}{M_{\infty }}$

FRMb $\frac{Mt}{M_{\infty }}=K_{1t}m+K_{2t}2m$

Tabela IV
Cinéticas de liberação de Korsmeyer-Peppas e Peppas-Sahlin para diferentes amostras

Amostra	Modelo matemático	Equação	R2	Constante
Escamas tratadas	Korsmeyer-Peppas	FRMa	0,99	K=1,66
				N=0,287
	Peppas-Sahlin	FRMb	0,99	K1=0,164
				K2=0,005
				M=0,268
Escamas calcinadas a 400°C	Korsmeyer-Peppas	FRMa	0,76	K=0,25
				N=0,074
	Peppas-Sahlin	FRMb	0,76	K1=0,177
				K2=0,074
				M=0,056
Escamas calcinadas a 600°C	Korsmeyer-Peppas	FRMa	0,76	K=0,268
				N=0,030
	Peppas-Sahlin	FRMb	0,76	K1=0,181
				K2=0,086
				M=0,022
Escamas calcinadas a 800°C	Korsmeyer-Peppas	FRMa	0,68	K=0,227
				N=0,035
	Peppas-Sahlin	FRMb	0,76	K1=0,155
				K2=0,072
				M=0,062
Escamas calcinadas a 1000°C	Korsmeyer-Peppas	FRMa	0,59	K=0,179
				N=0,025
	Peppas-Sahlin	FRMb	0,59	K1=0,122
				K2=0,057
				M=0,018

• Mt=quantidade de substância liberada no tempo t; M∞=quantidade de substância liberada em um período infinito; M=expoente de liberação; K=constante de liberação de Korsmeyer-Peppas; K ₁ , K ₂ =constantes de taxa e coeficientes de correlação.

Os resultados do desenvolvimento da alface na vermiculita e no substrato estão apresentados na Tabela V e na Figura 6. As plantas de alface não sobreviveram no tratamento com escamas tratadas nos dois substratos avaliados, que pode ter ocorrido devido a elevada quantidade de escama utilizada (44,9 g) para atingir a mesma concentração de P dos demais tratamentos (1,982 g para escamas calcinadas a 400°C, 0,493 g para as calcinadas a 600°C, 0,477 g para as calcinadas em 800°C e 0,459 para as calcinadas a 1000°C). A mortalidade observada com o uso da escama tratada mostra a necessidade da calcinação da escama de peixes para serem utilizadas como fonte de P na agricultura. O crescimento da alface na vermiculita mostra as escamas calcinadas em diferentes temperaturas apresentaram maior peso fresco e peso seco das folhas e peso fresco da raiz que o tratamento controle. O menor desenvolvimento para o tratamento controle pode estar relacionado com a deficiência do P, que é fundamental para o desenvolvimento das plantas⁶³. Comparando o desempenho entre as escamas calcinadas em diferentes temperaturas, foi possível observar o maior peso fresco das folhas para as escamas calcinadas a 800°C. O menor peso fresco das folhas foi observado para as escamas calcinadas a 1000°C. O peso seco das folhas foi maior para as escamas calcinadas a 800°C. O peso seco das folhas e das raízes de alface tratada com escamas calcinadas a 400°C, 600°C e 1000°C não apresentaram diferenças significativas (p<0,05) Esses resultados sugerem que as escamas calcinadas a 400, 600, 800 e 1000°C apresentaram desempenhos agronômicos superior ao tratamento controle, mostrando que essas amostras serviram como fonte de P para crescimento do alface na vermiculita. No entanto, o menor desempenho foi observado para a amostra com o maior grau de cristalinidade (escamas calcinadas a 1000°C), que podem estar relacionado com a baixa solubilidade dessas nanopartículas hidroxiapatita³³ e também a outros fatores, como efeito citotóxico, baixa concentração de P disponível e capacidade de absorção iônica.

Figura 6
Fotografia dos alfaces cultivadas em diferentes substratos com e sem o uso de escamas de peixe tratadas e escamas calcinadas em diferentes temperaturas. Crescimento em vermiculita Controle (A), escamas tratadas (B), escamas calcinadas a 400°C (C), escamas calcinadas a 600°C (D), escamascalcinadas a 800°C (E), escamas calcinadas a 1000°C (F). Crescimento em substrato Controle (G), escamas tratadas (H), escamas calcinadas a 400°C (I), escamas calcinadas a 600°C (J), escamas calcinadas a 800°C (K), escamas calcinadas a 1000°C (L).

Tabela V
Crescimento da alface cultivada em diferentes substratos utilizando as escamas tratadas e calcinadas a diferentes temperaturas como fonte de fósforo.

Amostra	Peso fresco das folhas (g)	Peso seco das folhas (g)	Peso fresco das raízes (g)	Peso seco das raízes (g)
Controle	2,86±0,87c	0,31±0,09c	1,24±0,59b	0,17±0,19a
Escamas tratadas	-	-	-	-
Escamas calcinadas a 400°C	12,16±4,38ab	0,90±0,50b	4,36±1,71a	0,27±0,18a
Escamas calcinadas a 600°C	10,92±2,23ab	0,61±0,23b	4,12±2,37a	0,26±0,23a
Escamas calcinadas a 800°C	14,76±1,62a	0,99±0,14a	4,66±1,49a	0,36±0,09a
Escamas calcinadas a 1000°C	8,10±2,13b	0,53±0,11cb	3,68±1,39a	0,22±0,06a
Controle	14,67±1,57ab	1,37±0,20ab	4,67±0,96b	0,40±0,17a
Escamas tratadas	-	-	-	-
Escamas calcinadas a 400°C	15,26±3,84a	1,44±0,31a	7,25±1,57a	0,67±0,23a
Escamas calcinadas a 600°C	12,75±2,77ab	1,11±0,26abc	6,70±2,50ba	0,55±0,22a
Escamas calcinadas a 800°C	12,80±2,19ab	1,10±0,18bc	7,57±1,83a	0,66±0,17a
Escamas calcinadas a 1000°C	11,16±2,14b	1,09±0,17c	6,26±2,28ba	0,50±0,19a

• Resultados seguidos de letras diferentes indicam diferença significativa (p<0,05) pela ANOVA seguida do teste de Tukey a 5%.

As nanopartículas de hidroxiapatita são materiais com grande capacidade de absorção e troca iônica e podem absorver diversos nutrientes^{60), (1} e pode ter absorvido alguns nutrientes utilizados na solução, deixando-os indisponíveis para as plantas. Apesar de apresentar potencial para ser utilizado como fonte de P na agricultura, alguns estudos tem mostrado que as nanopartículas de hidroxiapatita podem apresentar efeito tóxico as plantas²², que podem variar em função das características das nanopartículas e concentração utilizada^{31), (64}. As nanopartículas de hidroxiapatita podem ser absorvida pelas células e induzir a produção de espécies reativas de oxigênio que são responsáveis por causar o estresse oxidativo as células^{22), (23), (64}. A dosagem de nano partícula de hidroxiapatita utilizada nos experimentos pode ter sido elevada e ter causado o desbalanceamento da absorção dos nutrientes. Li e Huang et al. (2014)³¹ estudaram o uso de diferentes concentrações de hidroxiapatita durante o cultivo do Pakchoi (Brassica chinensis) L é observaram que a aplicação de baixas concentrações (5g de hidroxiapatita por kg de substrato) melhoraram o crescimento do Pakchoi, enquanto o uso de concentrações mais elevadas foi prejudicial.

No substrato, nenhuma diferença foi observada no peso fresco das folhas entre as amostras. A alface cultivada com a presença das escamas calcinadas em 1000°C apresentaram o menor valor de peso seco das folhas. As escamas calcinadas em 400 e 800°C apresentaram maiores valores de peso fresco da raiz em relação ao tratamento controle. Nenhuma diferença significativa (p<0,05) foi observada para peso seco da raiz. Diferente da vermiculita, o substrato utilizado nesse experimento é um composto preparado para o cultivo de plantas e já possuía P em sua composição, que provavelmente foi o suficiente para o desenvolvimento das mudas de alface. O tratamento escamas calcinadas a 1000°C apresentou menor desempenho que o tratamento controle que também podem estar relacionados com a toxidade das partículas ou pela sua capacidade de absorção de nutrientes, conforme discutidos anteriormente.

Os resultados obtidos neste estudo evidenciam o potencial das nanopartículas de hidroxiapatita derivadas de escamas de tilápia como fontes alternativas e sustentáveis de fósforo para a agricultura. Historicamente, a produção de fertilizantes fosfatados a partir de resíduos animais tem como base os ossos bovinos. No entanto, estudos recentes vêm explorando outras fontes, como ossos suínos e ovinos. Nascimento et al. (2025)⁶⁵ demonstraram que ossos bovinos e ovinos calcinados por quatro horas apresentaram teores elevados de fósforo (P₂O₅>41%) e cálcio (>36%), além de maior uniformidade estrutural e menor presença de impurezas quando comparados à farinha de ossos comercial. Embora os resultados obtidos com a hidroxiapatita extraída de escamas de peixes tenham sido promissores, comparações sistemáticas com a hidroxiapatita obtida de outras fontes de resíduos devem ser realizadas, a fim de identificar aquela com maior rendimento e potencial agronômico.

Biomateriais produzidos a partir de resíduos da tilápia, como gelatina e apatita, apresentam biocompatibilidade e biodegradação controlada em sistemas biológicos, favorecendo a regeneração tecidual sem provocar efeitos tóxicos sistêmicos³⁴. No entanto, o uso de nanopartículas de hidroxiapatita como fertilizante é uma abordagem recente e demanda investigações mais aprofundadas sobre sua toxicidade e possíveis interações com organismos vivos presentes no ambiente. Tais estudos são essenciais para assegurar que esses insumos, quando aplicados em culturas destinadas à alimentação, não representem riscos à saúde humana nem ao meio ambiente. Além disso, mais técnicas de caracterizações, como a microscopia de força atômica (AFM) e a microscopia eletrônica de transmissão (MET), poderão ser utilizadas para estudar como o grau de cristalinidade dessas nano partículas afetam a sua morfologia e sua interação com as células vegetais.

CONCLUSÃO

A síntese de nanopartículas de hidroxiapatita a partir de escamas de tilápia foi bem-sucedida utilizando o processo de calcinação em temperaturas superiores a 600°C. As nanopartículas obtidas apresentaram concentrações promissoras de P total e solúvel em ácido cítrico, demonstrando seu potencial como fertilizantes na agricultura. Entretanto, o uso direto das escamas de peixes tratadas, sem a extração prévia das nanopartículas, resultou em alta mortalidade das plantas, sugerindo a necessidade de isolar as nanopartículas de hidroxiapatita para um reaproveitamento seguro e eficaz do P. Além disso, foi observado que as características das nanopartículas, como o grau de cristalinidade e o tamanho do cristalito, variaram conforme a temperatura de calcinação, impactando a cinética de liberação de P. A maior cristalinidade nas amostras calcinadas a temperaturas mais elevadas teve um efeito negativo no crescimento das plantas, possivelmente devido a efeitos citotóxicos ou à redução da disponibilidade de P. Novos estudos devem ser realizados para avaliar o uso de diferentes concentrações dessas nanopartículas, bem como seus efeitos sobre a toxicidade nas plantas em condições de solo.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq-Brasil (CNPq-Brasil - 150480/2023-7), à Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais - FAPEMIG (FAPEMIG-Brasil - BPD-00406-22, APQ-05593-24 e APQ-01159-21), FAPESP (2021/14992-1) e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES-Brasil.

DATA AVAILABILITY STATEMENT

Research data are only available upon request.

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• AE:
  Renata A. Rocha

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  15 Dez 2025
• Data do Fascículo
  2025

Histórico

• Recebido
  28 Nov 2024
• Revisado
  15 Abr 2025
• Revisado
  04 Jun 2025
• Revisado
  02 Jul 2025
• Aceito
  15 Ago 2025