PRISTANO E FITANO

Os isoprenoides acíclicos mais estudados como biomarcadores de petróleo são o pristano (2,6,10,14-tetra-metilpentadecano / Pr) e o fitano (2,6,10,14- tetra-metilhexadecano / F). Por serem provenientes da cadeia lateral da clorofila A (fitol) por processos de oxidação e redução (mostrado na Figura 12) e dependentes das condições redox dos sedimentos, a formação do Pr e F pode ser atribuída diretamente ao ambiente de deposição em que o óleo foi gerado. Um meio oxidante é característico de uma relação Pr > F, enquanto que um meio redutor é marcado por um maior teor de F em relação ao Pr [17].

O O N N N N O _O Mg O

Cadeia lateral fitil da clorofila Clorofila Condições anóxicas Condições óxicas R HO Fitol R HO O Oxidação Ác. Fitênio Descarboxilação R Redução R Pristano (C19) Pristeno R HO Diidro Fitol Redução Redução _R Fitano (C20)

Figura 12: Formação do pristano e fitano através da cadeia lateral da clorofila. ADAPTADO: Prata (2012) [18] e Peters et al. (2005) [17].

Outra maneira da produção de pristano ocorre por meio da oxidação e posteriormente descaboxilação do tocoferol (exibido na Figura 13), enquanto que o fitano pode ser formado por organismos metanogênicos e halófilos por redução de lipídeos.

O R1 HO R2 R3 R1 R2 R3 -CH3 -CH3 -CH3 -H -CH3 -CH3 -H -H -H Tocoferóis   

Figura 13: Formação do pristano através da oxidação e descarboxilação do tocoferol presente em ambientes de água doce. ADAPTADO: Rontani e Bonin (2011) [38].

É importante ressaltar que o fitol e tocoferol são abundantes em ambientes de água doce e que ambientes salinos são relacionados a uma grande população de organimos metanogênicos e halófilos [38]. Assim, podemos relacionar a razão Pr/F com o tipo de deposição da matéria orgânica que pode gerar o óleo. A razão Pr/F < 1 é característico de condições de deposição anóxicas, já a razão Pr/F > 1 indica ambientes deposicionais com maior condições óxicas. Valores abaixo de 0,8 são encontrados em ambientes com fontes carbonática ou hipersalina. Valores acima de 3,0 são indicativos da entrada de matéria orgânica terrestre. Óleos com valores para esta razão entre 0,8-3,0 podem ser considerados como óleos gerados ou mantidos em condições sub-óxicas. Contudo, esta razão deve ser analisada em conjunto com outros biomarcadores por apresentar modificação com o aumento da evolução térmica e biodegradação.

Outras razões como Pr/n-C17 e F/n-C18 támbem podem ser calculadas, mas apenas quando o óleo não é biodegradado, pelo fato dos microorganismos consumirem os n-alcanos primeiro.

1.1.3.2.2. -CAROTANO

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O -carotano (peridro--caroteno) foi primeiramente identificado em xistos do Green River-Utah/USA em 1967 por Murphy et al. [39] e após sua descoberta foi encontrado em diversas fontes geológicas (sedimentos e petróleo). Watts e Maxwell (1977) [40] observaram que houve modificação e redução de alguns carotenóides durante a diagênese, principalmente com o aumento da sedimentação e temperatura

em sedimentos sob condições altamente anóxicas e marinha, mas relataram que o - carotano manteve-se estável sob estas condições.

Por serem encontrados em ambientes anóxicos, lacustres salinos ou em ambientes marinhos deltáicos onde organismos tais como algas unicelulares estão presentes, e estarem ausentes em ambientes de água doce, este composto pode ser considerado como um biomarcador de ambiente de deposição salina [17]. Óleos provenientes de origem marinha evaporítica foram relatados por apresentarem altas concentrações de -carotano e outros compostos em sua composição [41]. A Figura 14 mostra a estrutura química do -carotano que pode ser identificado pelo monitoramento do íon m/z 125 e tem seu íon molecular m/z 558 [42].

Figura 14: Estrutura química do -carotano e seu principal fragmento característico.

1.1.3.3. ESTERANOS

Derivados de esteróis provenientes da membrana lipídica de organismos eucarióticos principalmente plantas superiores e algas, os esteranos podem ser utilizados para investigação do ambiente de deposição de sedimentos ricos destes compostos, maturidade e biodegradação do óleo [43]. Os primeiros estudos sobre compostos esteroidais presentes em sedimentos aconteceram na década de 1950 com a identificação de esteranos C27 a C29 em extratos de solos e que posteriormente

foram encontrados no petróleo [44]. A Figura 15 exibe a estrutura das principais sub- famílias de esteranos (esteranos regulares, diasteranos e 4-metilesteranos) e que por apresentarem diversos centros quirais podem ocorrer com uma grande variedade de estereoisômeros.

Figura 15: Estrutura das principais famílias de esteranos (Esteranos regurales, diasteranos e 4- metilesteranos).

Os esteranos podem ser identificados através do monitoramento do íon m/z 217 porém devido a quantidade de compostos que co-eluem, a identificação por meio de um espectrômetro de massas do tipo triploquadrupolo no modo MRM (monitoramento de reações multiplas) faz-se necessário para uma maior confiabilidade na identificação. A tabela 1 exibe os principais íons precursores e produtos monitorados para a identificação desta classe.

Tabela 1: Principais transições (íons precursores e íons produtos) utilizadas para a investigação e identificação de esteranos.

Compostos Íon precursor (m/z) Íon produto (m/z)

Esteranos C26 358 217 Esteranos C27 372 Esteranos C28 386 Esteranos C29 400 Esteranos C30 414 Metilesteranos C30 414 231

Por estarem presentes em diversos tipos de organismos e apresentarem variação na sua distribuição, os esteranos podem ser utilizados como biomarcadores de paleoambiente de deposição. Os esteranos regulares (por exemplo os 4-desmetil- esteranos) de C27 a C29 contribuem diferentemente na composição de alguns grupos

de organismos. Os fitoplânctons usualmente contém uma maior abundância de esteranos C28, também chamados de ergostanos, enquanto que zooplânctons são

ricos em esteranos C27 (colestanos) e plantas terrestres possuem maior quantidade

de esteranos C29 (estigmastanos) [41, 45]. Um gráfico térnário pode ser utilizado para

expressar a influência da distribuições dos esteranos em relação aos diversos paleoambientes de deposição (Figura 16).

Figura 16: Diagrama ternário que expressa a distribuição de esteranos em relação a fonte de organismos e os respectivos paleoambientes de deposição. ADAPTADO: Kilops (2005) e Huang et al. (1979) [41, 46]

Huang e Meinschein (1979) [46] propuseram que este diagrama poderia ser utilizado para diferenciar diversos ecossistemas e distinguir grupos de óleos brutos a partir de uma mesma rocha geradora. Entretanto, vale ressaltar que esta família também está sujeita a sofrer influência da evolução térmica.

Devido a elevada quantidade de centros assimétricos nos esterois, uma mistura complexa de vários estereoisômeros seria possível de ser encontrada, contudo, por causa da alta especificidade enzimática do colesterol, apenas um estereoisômero do colesterol existe em quantidades significativas em organismos vivos [41].

A principal configuração dos esteróides [8(H), 9(H), 10(CH3), 13(CH),

14(H), 17(H) 20R] (Figura 17) em organismos vivos pode sofrer alterações durante os processos de diagênese e catagênese mas o esqueleto carbônico é preservado com modificações para a mistura de configurações 20R e 20S esteranos (Figura 17).

Figura 17: Estruturas dos epímeros biológicos (20R) e geológico (20S) para o 5(H),14(H),17(H) C29 esterano.

A razão C29 20S/(20S + 20R) pode variar entre 0 até 0,5. Quando a janela

de geração do óleo entra em estado de equilíbrio ou seja, quando óleo atinge um estágio de maior evolução térmica, valores entre 0,52 a 0,55 são encontrados [17].

Além disso, outro parâmetro que pode ser utilizado é a análise da isomerização nos carbonos C5, C14 e C17. Assim, como os isômeros 20S e 20R, os

isômeros  e  sofrem também influência da elevada evolução térmica e por isso pode ser utilizada [47]. Valores da razão /( + ) entre 0,67-0,71 indicam que o óleo é termicamente evoluído e que a rocha geradora alcançou grau elevado na geração de óleo [31, 48].

1.1.3.4. HOPANOS

Os hopanos ou triterpanos pentacíclicos geralmente contém de 27 a 35 átomos de carbono em uma estrutura naftênica composta por quatro anéis de 6 membros e um anel de 5 membros. Estes compostos são produzidos por organismos e ocorrem principalmente em três formas estereoisoméricas: os 17,21(H)-hopanos (), os 17,21(H)-hopanos () e os 17,21(H)-hopanos () ou moretanos, constituintes comuns em petróleo e sedimentos [49] que são representados na Figura 18.

Figura 18: Configurações esteroisoméricas dos hopanos: 7,21(H)-hopanos () (A), os 17,21(H)-hopanos () (B) e os 17,21(H)-hopanos () ou moretanos (C)

O fingerprint desta família pode ser obtida através do monitoramento do íon m/z 191 ou com maior precisão via análise por GC-MS/MS no modo MRM através do monitoramento das principais transições apresentadas na Tabela 2, podendo estender-se até 35 átomos (Homoopanos C35 detecdaos pela transição m/z 468 >

191).

Tabela 2: Principais transições por MRM para a análise dos principais composto da família de hopanos. Compostos Íon precursor (m/z) Íon produto (m/z)

Trisnoropanos C27 370

191 Bisnoropanos C28 384

Hopanos C30 412

Homoopanos C31 426

As bactérias que degradam os precursores e formam esta família podem produzir compostos com 27 a 35 átomos de carbono. As estruturas que apresentam 30 carbonos são consideradas hopanos, as que perdem grupos metílicos levam a denominação de norhopanos, como exemplo o 25,28,30-trisnorhopano que perderam três grupos metílicos (25, 28 e 30) localizados ligados aos carbonos C8, C10 e C22. Por

outro lado, os hopanos que apresentam em sua estrutura mais que 30 átomos de carbono levam em seu nome o prefixo homo- como os homohopanos C31. Além disso,

a configuração - e - também são utilizadas devido alguns carbonos apresentarem centros assimétricos com outros grupos funcionais que estão para baixo ou para cima do plano do anel.

Um dos maiores precursores dos hopanos em sedimentos e petróleo bruto é a bacteriohopanotetrol que apresenta estereoquímica  (Figura 19). Esta estereoquímica (configuração biológica,  é principalmente encontrada em

sedimentos com baixa evolução térmica e em consequência de ser termicamente instável, e sua abundância decresce rapidamente com a conversão para as configurações - e -hopanos (mais estáveis) [17, 31]. A Figura 19 apresenta a transformação da bacteriahopanotetrol (encontrada em camadas lipídicas em organismos procariontes) no hopano de configuração biológica (22R) e que devido a sua elevada instabilidade é convertido em configurações geológicas (- e ) encontradas em rochas geradoras e petróleo bruto [50].

Figura 19: Transformação da bacteriohopanotetrol no hopano de configuração biológica e em seguida a sua transformação nas configurações geológicas presentes em óleos brutos e rochas geradoras. ADAPTADO: Peters et al. (2005) [31] e Farrimond et al. (1996) [50].

Os hopanos podem ser encontrados em óleos de diferentes origens contudo, óleos de origem lacustre apresentam alta intensidade destes compostos quando comparado a óleos de origem marinha. A razão esteranos regulares/hopanos, que consiste nos compostos esteranos C27, C28 e C29  (20R e 20S) e  (20R e

de matéria provenientes de organismos eucarióticos (plantas terrestres e algas) ou de organismos procarióticos (bactérias) em rochas e petróleo bruto. Em geral, altas concentrações de esteranos e razões de esteranos/hopanos maior ou igual a 1 são característicos de matéria orgânica marinha com maior contribuição de plânctons e/ou algas bentônicas, do mesmo modo, altas concentrações de hopanos e baixa razão esterano/hopanos podem sugerir a entrada de matéria orgânica terrígena e/ou microbiológica.

Além desta razão, outros compostos como os desmetilados 17-22,28,30- trisnorhopano (Ts) e 18-22,29,30-trisnorhopano (Tm) podem ser aplicados para indicar a evolução térmica dos óleos.

Durante a catagêne, o composto Tm é menos estável que o Ts, e assim é possível calcular as razões Ts/Tm e Ts/(Ts+Tm) utilizada principalmente para óleos provenientes da mesma fonte. Devido a baixa estabilidade do Tm em relação o Ts, é possível sugerir que óleos com alta evolução térmica apresentem uma maior concentração do composto mais estável, enquanto que petróleos com baixa evolução térmica apresenta uma maior concentração do composto metaestável em relação ao mais estável. Contudo, estas razões precisam ser analisadas com cautela, pois pode haver modificações devido a biodegradação. A estrutura dos compostos Ts e Tm são apresentados na Figura 20 e estes podem ser melhor identificados através da transição m/z 370 > 191 por GC-MS/MS.

Figura 20: Estruturas do 17(H)-22,29,30-trisnorhopano (Tm) e 18(H)-22,29,30- trisnorneohopano (Ts).

1.1.3.5. GAMACERANO

O gamacerano (Figura 21) identificado através da transição m/z 412 > 191 é um triterpano pentacíclico primeiramente identificado por Hill et al. em 1966 em xistos do Green River [31]. Por ser frequentemente encontrado em amostras hipersalinas pode ser considerado como um biomarcador indicador de hipersalinidade. Sua origem ainda é incerta, mas sabe-se que ele pode ser originado através da redução do tetrahimanol (gamaceran-3-ol), que é frequentemente encontrado em sedimentos marinhos, na fase de diagênese [51].

Figura 21: Estrutura química do gamacerano (C30H52) monitorado através da transição m/z 412>191.

A principal fonte do tetrahimanol são os ciliados marinhos que vivem na interface entre zonas óxicas e anóxicas em colunas de estratificação de água características pela diferença de densidade da água causada pela hipersalinidade do meio [52]. Assim, a abundância de gamacerano sugere a presença da coluna de estratificação de água durante o processo de sedimentação e por consequência o sugerimento de hipersalinidade do meio.

O índice de gamacerano (razão entre o gamacerano/17(H),21(H)- hopano C30) é utilizado para distinguir famílias de óleos de fontes hipersalinas, salinas,

marinhas e não-marinhas através desta razão correlacionadas com outras razões discutidas anteriomente. Uma alta razão é característico de hipersalinidade, ambientes salinos apresentam valores menores e ambientes ricos em matéria orgânica terrestre apresentam razões próximos de zero. Sendo assim, é possível diferenciar óleos e sedimentos de origem marinha e não-marinha. É importante ressaltar que em óleos biodegradados o gamacerano é mais resistente que os hopanos e isto poderá levar a um erro em óleos e sedimentos com elevado grau de biodegradação.

Através da correlação de todos os parâmetros acima discutidos, é possível sugerir o ambiente de deposição, evolução térmica e biodegradação dos óleos e sedimentos. Contudo, estas informações só puderam ser discutidas devido a análise por técnicas instrumentais como a cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas. Esta técnica, foi utilizada para a análise convencional de biomarcadores e será abordada a seguir.

1.1.4. CROMATOGRAFIA GASOSA ACOPLADA A ESPECTROMETRIA DE