Machine learning-based mechanistic evaluation of Municipal solid waste vermicompost- mediated metal-pesticide remediation in soil and promotion of Tagetes erecta floriculture

Resumo Técnico: Avaliação Mecanística Baseada em Aprendizado de Máquina da Remediação de Metais e Pesticidas Mediada por Vermicompostagem de Resíduos Sólidos Municipais

Definição do Problema
A rápida urbanização levou a um aumento exponencial de resíduos sólidos municipais (RSM), criando um cenário de contaminação dupla em solos agrícolas periurbanos, onde metais potencialmente tóxicos (MPT) e poluentes orgânicos persistentes (pesticidas) coexistem. As estratégias de remediação tradicionais frequentemente abordam esses contaminantes de forma isolada, falhando em considerar seus efeitos interativos sobre a biomassa microbiana, a atividade enzimática e o ciclo de nutrientes. Além disso, há uma carência de estruturas experimentais que integrem a remediação do solo com a produção de culturas comerciais, garantindo especificamente que o acúmulo de poluentes seja restrito a partes não econômicas das plantas, mantendo simultaneamente o rendimento. O estudo aborda a lacuna no entendimento de se o vermicomposto derivado de RSM pode remediar simultaneamente o solo co-contaminado, facilitar a fitoextração e sustentar a produtividade de culturas ornamentais sem comprometer a segurança alimentar.

Metodologia
O estudo empregou um experimento controlado em vasos utilizando Tagetes erecta L. (cravo-de-defunto) como cultura de teste em solo aluvial co-contaminado com cinco MPT (Fe, Cu, Mn, Pb, Cr) e dois pesticidas (cipermetrina e clorpirifós).

• Delineamento Experimental: Foram estabelecidas sete combinações de tratamento ao longo de um ciclo de 90 dias: um controle (100% NPK), vermicomposto de esterco bovino (VC-CD) e vermicomposto de RSM (VC-MSW) aplicados a 100% e 80% das doses recomendadas de NPK, e contrapartes compostadas.
• Análise do Solo e da Planta: Propriedades físico-químicas (pH, densidade de massa, porosidade, CEC, nutrientes), atributos biológicos (biomassa microbiana, respiração, atividades enzimáticas) e concentrações de contaminantes foram mensurados aos 10 e 90 dias. A absorção de contaminantes foi analisada nos compartimentos raiz, caule, folha e flor.
• Métricas de Remediação: Os Fatores de Bioacumulação (BAF), Bioconcentração (BCF) e o Coeficiente de Enriquecimento (ECf) foram calculados para avaliar a dinâmica de translocação.
• Estrutura de Aprendizado de Máquina: Para compreender mecanisticamente a translocação, o estudo construiu 21 modelos de regressão de Floresta Aleatória (Random Forest - RF) utilizando 43 atributos de qualidade do solo (incluindo mudanças temporais) para prever o BAF, BCF e ECf para o compartimento floral. A Validação Cruzada "Leave-One-Out" (LOO-CV) foi utilizada para validar os modelos. A Análise de Componentes Principais (PCA) e a Análise de Agrupamento Hierárquico (HCA) foram integradas para visualizar o agrupamento dos tratamentos e identificar os gradientes dominantes de saúde do solo.

Principais Resultados

• Melhoria da Saúde do Solo: Os tratamentos VC-MSW e VC-CD melhoraram significamente a estrutura física do solo (redução da densidade de massa, aumento da porosidade) e a fertilidade química (aumento da CEC e biodisponibilidade de NPK). A atividade biológica foi marcadamente estimulada, com o carbono e nitrogênio da biomassa microbiana e a respiração do solo aumentando de 2 a 3 vezes, e as atividades de urease/alcalina fosfatase aumentando até 9 vezes em comparação com os tratamentos de compostagem.
• Remediação de Contaminantes: Os tratamentos VC-MSW reduziram as concentrações de MPT no solo de 2 a 10 vezes e os resíduos de pesticidas de 4 a 13 vezes. A redução foi mais eficaz no tratamento VC-MSW + 80% NPK.
• Seletividade Compartimental: Um achado crítico foi o acúmulo preferencial de contaminantes em partes não econômicas da planta (raízes, caules, folhas). Os compartimentos florais registraram consistentemente os menores valores de BAF, BCF e ECf em todos os tratamentos, confirmando que o produto colhido permaneceu seguro apesar da contaminação do solo.
• Produtividade da Cultura: A aplicação de VC-MSW, particularmente com a substituição de 20% do fertilizante sintético, mais do que dobrou a produtividade, o peso e a vida de prateleira pós-colheita das flores em comparação ao controle apenas com NPK. O conteúdo de carotenoides e o diâmetro da flor foram significativamente aumentados.
• Insights de Aprendizado de Máquina: Os modelos de RF demonstraram alta precisão preditiva ($R^2$ na faixa de 0,824–0,964). A análise de importância de características identificou enzimas do solo induzidas por micróbios, especificamente a alcalina fosfatase e a urease, como os reguladores dominantes da translocação de poluentes do solo para a planta. A PCA confirmou que os tratamentos com VC-MSW ocupavam as extremidades positivas da saúde do solo e as extremidades negativas da contaminação.

Principais Contribuições

1. Estrutura Integrada de Remediação-Produção: Este estudo fornece a primeira demonstração experimental de que o vermicomposto de MSW pode simultaneamente remediar a co-contaminação por metais-pesticidas e sustentar a produtividade da floricultura comercial.
2. Validação Mecanística via ML: Introduz um novo modelo metodológico combinando regressão de Floresta Aleatória e PCA para identificar indicadores bioquímicos específicos do solo (atividades enzimáticas) que regem a translocação de contaminantes, indo além das observações correlativas para o entendimento mecanístico.
3. Segurança da Fitoextração em Ornamentais: A pesquisa estende a capacidade de fitorremediação conhecida de T. erecta para incluir a co-contaminação por pesticidas e valida a segurança do uso desta cultura em cenários de remediação ao provar que os contaminantes são sequestrados em tecidos não colhidos.
4. Aplicação da Economia Circular: Valida o uso de vermicomposto derivado de MSW como uma alternativa viável aos fertilizantes sintéticos (substituição de até 20%), ofereando uma estratégia escalável para a valorização de resíduos em agroecossistemas contaminados.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este estudo estabelece a fertilização integrada com VC-MSW como uma estratégia escalável e validada por aprendizado de máquina para a remediação simultânea do solo e produção segura de culturas ornamentais. A alta precisão preditiva dos modelos de RF, treinados em indicadores de saúde do solo rotineiramente mensuráveis (particularmente atividades enzimáticas), posiciona o framework integrado PCA-RF como uma ferramenta de alerta precoce operacionalmente viável para a avaliação de risco de segurança alimentar. Isso é particularmente significativo para regiões onde a co-contaminação por MSW é prevalente, mas o monitoramento analítico rotineiro da contaminação de culturas é economicamente restrito. O estudo conclui que a transformação da matéria orgânica mediada por enzimas é o processo fundamental que liga o aporte de VC-MSW à redução da translocação de contaminantes, oferecendo um caminho baseado em dados para o avanço da economia circular em paisagens afetadas por MPT e pesticidas.