Fósforo num Cambissolo cultivado com cana-de-açúcar por longo tempo: II - análise de ácidos húmicos por RMN 31P

Sistemas de manejo da lavoura de cana-de-açúcar que favoreçam a matéria orgânica do solo podem aumentar o conteúdo de nutrientes disponíveis e diminuir a necessidade de aplicação de fertilizantes industriais. Apesar da importância dos componentes orgânicos no fornecimento de P, pouco se conhece sobre a sua dinâmica em ambientes tropicais. O objetivo deste trabalho foi identificar, por meio da ressonância magnética nuclear (RMN 31P), as espécies de P nos ácidos húmicos de um Cambissolo Háplico Ta eutrófico vértico, localizado no Município de Campos dos Goytacazes, norte do Estado do Rio de Janeiro, e cultivado com cana-de-açúcar com preservação do palhiço e adição de vinhaça por longo tempo. Por meio da análise de RMN 31P foi possível observar acúmulo de P orgânico em formas mais facilmente mineralizadas nas áreas com preservação de matéria orgânica, tal como P em ligações diésteres. Nas áreas de cana queimada, houve maior participação de espécies orgânicas mais estáveis, como o ortofosfato em ligações monoésteres. Os resultados da espectroscopia de RMN 31P mostram que, nas áreas com maior aporte de resíduo orgânico (i.e., cana crua e cana queimada com adição de vinhaça), os ácidos húmicos constituem uma reserva importante de P orgânico prontamente disponível. Já, nas áreas de cana queimada, o acúmulo de P orgânico recalcitrante nos ácidos húmicos indica utilização do P-lábil das substâncias húmicas como fonte importante para nutrição das plantas.

Estoque e qualidade da matéria orgânica de um solo cultivado com cana-de-açúcar por longo tempo

O objetivo deste trabalho foi avaliar o estoque e a qualidade da matéria orgânica (MOS) por meio de análises de ressonância magnética nuclear (RMN) de 13C no estado sólido de amostras intactas de solo e de ressonância paramagnética eletrônica (RPE) e fluorescência dos ácidos húmicos (AH) isolados de um Cambissolo cultivado com cana-de-açúcar por longo tempo. Numa situação, a cana-de-açúcar foi cultivada por 55 anos sem a queima por ocasião da colheita. A outra situação envolveu uma área cultivada com queima da palhada, na qual em uma parte foi realizada a adição de vinhaça (120 m³ ano-1) durante 35 anos e a outra não recebeu esse tratamento. O aumento no estoque de AH em 157 e 57 % nas camadas de 0-0,20 e 0,20-0,40 m, respectivamente, na área cultivada durante 55 anos com preservação do palhiço, correspondeu ao aumento observado no grau de aromaticidade e diminuição da acidez da MOS, obtido por RMN 13C. Nas áreas com manejos que envolviam a preservação da MOS foram obtidos AH com maior concentração de radicais livres do tipo semiquinona, determinada por RPE, e maior intensidade de emissão de fluorescência. Mudanças significativas no processo de humificação da MOS e, portanto, na sua qualidade foram decorrentes da preservação do palhiço por ocasião da colheita. Por sua vez, a adição de vinhaça durante 35 anos ao canavial no qual foi realizada a queima do palhiço não alterou significativamente a qualidade da MOS, sugerindo rápida evolução do material orgânico solúvel adicionado ao solo.

Eficiência do politungstato de sódio no fracionamento densimétrico da matéria orgânica do solo

Soluções de iodeto de sódio (NaI) e de politungstato de sódio (PTS) têm sido utilizadas, de forma indistinta, no fracionamento densimétrico da matéria orgânica (MO) do solo. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito desses dois produtos em soluções de mesma densidade (1,80 kg L-1), bem como do aumento da densidade da solução de PTS (2,0 e 2,2 kg L-1), na obtenção de C na fração leve (FL) da MO do solo. As características estruturais da FL obtida com as diferentes soluções também foram avaliadas por ressonância magnética nuclear do 13C (RMN-13C) neste estudo, o qual foi realizado com amostras da camada de 0-5 cm de dois solos brasileiros (PVd-Argissolo Vermelho e LVd-Latossolo Vermelho). A dispersão do solo foi realizada com ultra-som (250 J mL-1 no PVd e 450 J mL-1 no LVd); a suspensão de 20 g de solo e 80 mL-1 de solução foi centrifugada (2.000 g, 90 min), e a FL, obtida pela filtragem do sobrenadante em filtro de fibra de vidro, sendo o C desta fração analisado por combustão seca (Shimadzu TOC-V CSH). O uso da solução de PTS aumentou a recuperação de C da FL em 152 % no PVd e em 166 % no LVd, em comparação à solução de NaI de mesma densidade (1,8 kg L-1). O incremento da densidade da solução de PTS também aumentou a obtenção de C na FL, o qual foi mais expressivo na densidade de 1,8 para 2,0 kg L-1 (57 % em ambos os solos) do que de 2,0 para 2,2 kg L-1 (21 % no PVd e 5 % no LVd). Com base nos teores de Fe e C da fração argila, estimou-se que a contaminação da FL com C da fração argila, quando do uso das soluções de PTS, variou de 1,9 a 3,5 % no LVd e de 6,8 a 10,4 % no PVd, os quais foram considerados baixos perante o alto percentual de incremento na recuperação de C na FL. O incremento da razão C Alquil/C-O-alquil e do C-carbonila na análise de RMN-13C sugere incremento na recuperação de FL em estádios mais avançados de decomposição com o uso de PTS e incremento da densidade da solução, tendo sido esses resultados mais expressivos no LVd. Com base no incremento da obtenção de C e na baixa contaminação da FL com C da fração argila, recomenda-se o uso da solução de PTS 2,0 kg L-1 em estudos de fracionamento densimétrico da MO do solo.

Caracterização química e espectroscópica de ácidos húmicos e fúlvicos isolados da camada superficial de latossolos brasileiros

A determinação de características estruturais das substâncias húmicas (SH) é essencial para o entendimento do comportamento da química de superfície dos solos altamente intemperizados. Ácidos húmicos (AH) e fúlvicos (AF) obtidos no horizonte superficial de sete Latossolos de diferentes regiões do Brasil foram caracterizados mediante a análise da composição elementar, da acidez total e carboxílica, da capacidade de oxidação e por métodos espectroscópicos. As substâncias húmicas apresentaram elevado grau de oxidação, acidez e massa molecular relativamente baixas, caracterizando a matéria orgânica alcalina solúvel como bastante reativa. Os AF apresentaram menor teor de C e maior de O do que os AH. Foram observados valores elevados da relação entre absorvância em 465 e 665 nm (E4/E6) e a massa molar média foi estimada em 1.106 e 618 g mol-1 para AH e AF, respectivamente. A menor massa molar estimada para os AF foi compatível com sua menor complexidade química revelada pelos espectros de IV-TF, que apresentaram menor número de bandas de absorção bem definidas. A ressonância magnética nuclear (RMN ¹H) mostrou a presença de H mais hidrofóbico nos AH e de H ligado a átomos de O em maior quantidade nos AF, compatível com sua maior acidez e, portanto, solubilidade em qualquer valor de pH. Apesar da mesma funcionalidade química encontrada tanto nos AH como nos AF, a análise estatística permitiu separar a maioria desses ácidos, indicando a presença de frações humificadas de natureza química individual.

A fully-automatic caudate nucleus segmentation of brain MRI: application in volumetric analysis of pediatric attention-deficit/hyperactivity disorder

Background Accurate automatic segmentation of the caudate nucleus in magnetic resonance images (MRI) of the brain is of great interest in the analysis of developmental disorders. Segmentation methods based on a single atlas or on multiple atlases have been shown to suitably localize caudate structure. However, the atlas prior information may not represent the structure of interest correctly. It may therefore be useful to introduce a more flexible technique for accurate segmentations. Method We present Cau-dateCut: a new fully-automatic method of segmenting the caudate nucleus in MRI. CaudateCut combines an atlas-based segmentation strategy with the Graph Cut energy-minimization framework. We adapt the Graph Cut model to make it suitable for segmenting small, low-contrast structures, such as the caudate nucleus, by defining new energy function data and boundary potentials. In particular, we exploit information concerning the intensity and geometry, and we add supervised energies based on contextual brain structures. Furthermore, we reinforce boundary detection using a new multi-scale edgeness measure. Results We apply the novel CaudateCut method to the segmentation of the caudate nucleus to a new set of 39 pediatric attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) patients and 40 control children, as well as to a public database of 18 subjects. We evaluate the quality of the segmentation using several volumetric and voxel by voxel measures. Our results show improved performance in terms of segmentation compared to state-of-the-art approaches, obtaining a mean overlap of 80.75%. Moreover, we present a quantitative volumetric analysis of caudate abnormalities in pediatric ADHD, the results of which show strong correlation with expert manual analysis. Conclusion CaudateCut generates segmentation results that are comparable to gold-standard segmentations and which are reliable in the analysis of differentiating neuroanatomical abnormalities between healthy controls and pediatric ADHD.

Nuclear magnetic resonance

This article reviews the principles and methods of nuclear magnetic resonance spectroscopy, and gives examples of applications carried out at ourFacility, which illustrate the capabilities of the technique.

Polychlorinated trityl radicals for dynamic nuclear polarization: the role of chlorine nuclei

Polychlorinated trityl radicals bearing carboxylate substituents are water soluble persistent radicals that can be used for dynamic nuclear polarization. In contrast to other trityl radicals, the polarization mechanism differs from the classical solid effect. DFT calculations performed to rationalize this behaviour support the hypothesis that polarization is transferred from the unpaired electron to chlorine nuclei and from these to carbon by spin diffusion. The marked differences observed between neutral and anionic forms of the radical will be discussed.

Long-lived States in an intrinsically disordered protein domain

Long-lived states (LLS) are relaxation-favoured eigenstates of J-coupled magnetic nuclei. LLS were measured, along with classical 1H and 15 N relaxation rate constants, in aminoacids of the N-terminal Unique domain of the c-Src kinase (USrc), which is disordered in vitro under physiological conditions. The relaxation rates of LLS are a probe for motions and interactions in biomolecules. LLS of the aliphatic protons of glycines, with lifetimes ca. four times longer than their spin-lattice relaxation times, are reported for the first time in an intrinsically disordered protein domain (IDP). LLS relaxation experiments were integrated with 2D spectroscopy methods, further adapting them for studies on proteins.

Meta-structure correlation in protein space unveils different selection rules for folded and intrinsically disordered proteins

The number of existing protein sequences spans a very small fraction of sequence space. Natural proteins have overcome a strong negative selective pressure to avoid the formation of insoluble aggregates. Stably folded globular proteins and intrinsically disordered proteins (IDP) use alternative solutions to the aggregation problem. While in globular proteins folding minimizes the access to aggregation prone regions IDPs on average display large exposed contact areas. Here, we introduce the concept of average meta-structure correlation map to analyze sequence space. Using this novel conceptual view we show that representative ensembles of folded and ID proteins show distinct characteristics and responds differently to sequence randomization. By studying the way evolutionary constraints act on IDPs to disable a negative function (aggregation) we might gain insight into the mechanisms by which function - enabling information is encoded in IDPs.

Cardiac motion estimation by joint alignment of tagged MRI sequences

Image registration has been proposed as an automatic method for recovering cardiac displacement fields from Tagged Magnetic Resonance Imaging (tMRI) sequences. Initially performed as a set of pairwise registrations, these techniques have evolved to the use of 3D+t deformation models, requiring metrics of joint image alignment (JA). However, only linear combinations of cost functions defined with respect to the first frame have been used. In this paper, we have applied k-Nearest Neighbors Graphs (kNNG) estimators of the -entropy (H ) to measure the joint similarity between frames, and to combine the information provided by different cardiac views in an unified metric. Experiments performed on six subjects showed a significantly higher accuracy (p < 0.05) with respect to a standard pairwise alignment (PA) approach in terms of mean positional error and variance with respect to manually placed landmarks. The developed method was used to study strains in patients with myocardial infarction, showing a consistency between strain, infarction location, and coronary occlusion. This paper also presentsan interesting clinical application of graph-based metric estimators, showing their value for solving practical problems found in medical imaging.

Brain functional abnormality in schizo-affective disorder: an fMRI study.

Background.Schizo-affective disorder has not been studied to any significant extent using functional imaging. The aim of this study was to examine patterns of brain activation and deactivation in patients meeting strict diagnostic criteria for the disorder. METHOD: Thirty-two patients meeting research diagnostic criteria (RDC) for schizo-affective disorder (16 schizomanic and 16 schizodepressive) and 32 matched healthy controls underwent functional magnetic resonance imaging (fMRI) during performance of the n-back task. Linear models were used to obtain maps of activations and deactivations in the groups. RESULTS: Controls showed activation in a network of frontal and other areas and also deactivation in the medial frontal cortex, the precuneus and the parietal cortex. Schizo-affective patients activated significantly less in prefrontal, parietal and temporal regions than the controls, and also showed failure of deactivation in the medial frontal cortex. When task performance was controlled for, the reduced activation in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and the failure of deactivation of the medial frontal cortex remained significant. CONCLUSIONS: Schizo-affective disorder shows a similar pattern of reduced frontal activation to schizophrenia. The disorder is also characterized by failure of deactivation suggestive of default mode network dysfunction.

Brain functional abnormality in schizo-affective disorder: an fMRI study.

Background.Schizo-affective disorder has not been studied to any significant extent using functional imaging. The aim of this study was to examine patterns of brain activation and deactivation in patients meeting strict diagnostic criteria for the disorder. METHOD: Thirty-two patients meeting research diagnostic criteria (RDC) for schizo-affective disorder (16 schizomanic and 16 schizodepressive) and 32 matched healthy controls underwent functional magnetic resonance imaging (fMRI) during performance of the n-back task. Linear models were used to obtain maps of activations and deactivations in the groups. RESULTS: Controls showed activation in a network of frontal and other areas and also deactivation in the medial frontal cortex, the precuneus and the parietal cortex. Schizo-affective patients activated significantly less in prefrontal, parietal and temporal regions than the controls, and also showed failure of deactivation in the medial frontal cortex. When task performance was controlled for, the reduced activation in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and the failure of deactivation of the medial frontal cortex remained significant. CONCLUSIONS: Schizo-affective disorder shows a similar pattern of reduced frontal activation to schizophrenia. The disorder is also characterized by failure of deactivation suggestive of default mode network dysfunction.