CENTRO DE ESTUDOS GERAIS INSTITUTO DE QUÍMICA
DOUTORADO EM GEOCIÊNCIAS – GEOQUÍMICA AMBIENTAL
LEANDRO VIANA GUERRA
COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA PARTICULADA E DISSOLVIDA NO GRADIENTE SALINO DOS ESTUÁRIOS DO RIO PARAÍBA DO SUL E DA BAÍA DE
SEPETIBA, RJ
NITERÓI 2012
LEANDRO VIANA GUERRA
COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA PARTICULADA E DISSOLVIDA NO GRADIENTE SALINO DOS ESTUÁRIOS DO RIO PARAÍBA DO SUL E DA BAÍA DE
SEPETIBA, RJ
Tese de Doutorado apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Geociências da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Doutor - Área de Concentração: Geoquímica Ambiental.
NITERÓI 2012
G934Guerra, Leandro Viana.
Composição da matéria orgânica particulada e dissolvida no gradiente salino dos estuários do Rio Paraíba do Sul e da Baía de Sepetiba, RJ / Leandro Viana Guerra. – Niterói : UFF. Programa de Geoquímica, 2012.
147 f.: il. ; 30 cm.
Tese (Doutorado em Geociências - Geoquímica Ambiental). Universidade Federal Fluminense, 2012. Orientador: Prof. Dr. Marcelo Correa Bernardes.
1. Matéria orgânica. 2. Esteróis. 3. Isótopo. 4. Cunha salina. 5. Maré. 6. Rio Paraíba do Sul. 7. Baía de Sepetiba (RJ). 8. Produção intelectual.
COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA PARTICULADA E DISSOLVIDA NO GRADIENTE SALINO DO
Aprovada em 28 de março de 2012.
PROF.
PROF. DR. MARCOS
PROFª. DRª. ELISAMARA SABADINI DOS SANTOS
PROFª. DRª. ANA LUÍZA SPADANO ALBUQUERQE LEANDRO VIANA GUERRA
COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA PARTICULADA E DISSOLVIDA NO GRADIENTE SALINO DOS ESTUÁRIOS DO RIO PARAÍBA DO SUL E DA BAÍA DE
SEPETIBA, RJ
Tese apresentada ao Curso de Pós
em Geociências da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Doutor
Concentração: Geoquímica Ambiental. Aprovada em 28 de março de 2012.
BANCA EXAMINADORA
PROF. DR. MARCELO CORREA BERNARDES ORIENTADOR/UFF
PROF. DR. RENATO RODRIGUES NETO UFES
MARCOS SARMETMOREIRA DE BARROS UENF
PROFª. DRª. ELISAMARA SABADINI DOS SANTOS UFF
PROFª. DRª. ANA LUÍZA SPADANO ALBUQUERQE UFF
NITERÓI 2012
COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA PARTICULADA E DISSOLVIDA NO DO RIO PARAÍBA DO SUL E DA BAÍA DE
Tese apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Geociências da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para Grau de Doutor. Área de Concentração: Geoquímica Ambiental.
DR. MARCELO CORREA BERNARDES
PROF. DR. RENATO RODRIGUES NETO
MOREIRA DE BARROS SALOMÃO
PROFª. DRª. ELISAMARA SABADINI DOS SANTOS
AGRADECIMENTOS
À minha família que sempre me apoiou, apesar das muitas dificuldades enfrentadas.
Ao meu orientador Marcelo Corrêa Bernardes, que muito me motivou para a elaboração deste trabalho, e que nos gestos de confiança, se mostrou um grande exemplo de profissional e pessoa.
Ao CNPq INCT-TMCOcean: Transferência de Materiais na Interface Continente-Oceano”. Proc. 573601/2008-9.
Ao CNPQ – Universal: “Composições moleculares (lignina e lipídios), elementares (C/N) e isotópicas (δ13C e δ15N) dos materiais da interface continente-oceano como traçadores de mudanças ambientais. Estudos de caso: Baia de Sepetiba e Estuário do R. Paraíba do Sul, RJ”. Proc. 479527/2008-3.
À CAPES pela bolsa de Doutorado.
À Mirian A. C. Crapez, a quem devo por muitos anos de minha vida acadêmica.
Ao Laboratório de Ciências Ambientais (LCA) pelo suporte nas coletas no Rio Paraíba do Sul e análises de COD.
À amiga Fernanda Savergnini, pelos longos anos de amizade, companheirismo e lealdade, além de auxílio fundamental nas coletas e análises.
À Gláucia Ank pela grande amizade e carinho.
À técnica do Laboratório de Microbiologia Marinha e amiga Daniela C. Pereira, sempre solícita.
Ao amigo José Augusto P. Bitencourt (Zé) pelos longos anos de amizade, cervas e auxílio nas análises estatísticas.
Aos companheiros do Laboratório de Biogeoquímica da Matéria Orgânica: Tatiana Mello, Raffaela D’angelo, Rodrigo Sobrinho e Thaís Maranhão, que tornaram os momentos no laboratório mais agradáveis.
Thiago P. Rangel pelo grande auxílio nas coletas e análises de COD.
Aos amigos de convivência do Programa de Geoquímica Ambiental: Vanessa Barcelos, Daniel C. Teixeira, Fábio Monteiro, Leonardo Villar (Léo), Ana Paula, Eline Simões, Ilene Matano, Nilva Brandini, Elisamara S. Santos, Eduardo Marques, Rodrigo Portilho, entre tantos outros.
Ao pessoal do Ônibus Universitário de Maricá (Marcela, Ludmila, Jojô, Fabi, Mudinho, Acácio, Cristiano, Paulinho, Wellinton, Shanna, Gabriel, Daniel, Priscilinha, Nayara, Karla, Vanessa, Rômulo, Edu, Wellinton, Édria, Cris, Vacão, entre tantos outros) pelos muitos momentos de alegria, festas inesquecíveis, bebedeiras e amizade.
Aos amigos que adquiri na Vigilância Ambiental em Saúde de Maricá: Micheli, Jefferson, Claudinha, Fernanda, Nayara, Márcio, Érika e Marx.
Ao meu amor, Patricia de Carvalho Costa, que na reta final, tolerou meus momentos de impaciência, me dando paz e equilíbrio para concluir este trabalho.
Às muitas pessoas presentes em minha vida e que de alguma forma, contribuíram para minha formação intelectual e como pessoa.
RESUMO
A caracterização do material orgânico que chega aos estuários é de fundamental importância para a elucidação dos processos de transporte e decomposição que ocorrem nestes ambientes. O estudo teve como objetivo caracterizar as diferentes frações da matéria orgânica presentes no gradiente salino de estuários sob distintas condições hidrodinâmicas e relacioná-las com as fontes e processos geoquímicos na interface continente-oceano. Em período de chuva e estiagem, os estuários do Rio Paraíba do Sul (RPS) e Baía de Sepetiba (BS)foram amostrados considerando ciclo de marée gradiente salino, respectivamente. A físico-química, material particulado em suspensão (MPS) e clorofila aevidenciaram a ausência da influência da cunha salina no ciclo de maré em chuva no RPS, oposto ao encontrado em estiagem. Em BS houve um gradiente espacial crescente de salinidade do Canal de São Francisco para a região central da baía, com salinidade 32. A razão C/N apresentou baixos valores na fração do MPS (>0,7µm), com variação entre 1,1 e6,1 nos dois estuários. No material em suspensão >20 e >64µm a variação foi de 4,4 a 18,6. Esse parâmetro apresentou boa correlação significativa negativa com o δ13C (-0,80 no particulado e -0,82 em >20 e >64µm; p<0,05). O δ13C apresentou comportamento semelhante entre as frações nos dois estuários, com valores mais leves em menores salinidades marcando plantas terrestres C3(mínimo de -25,5‰) e tendendo a mais pesados em direção às massas d’água mais salinas, marcando fitoplâncton (máximo de -17,1‰). Diferentemente, o δ15N não apresentou tendência com o gradiente salino, exibindo fracionamento isotópico entre >0,7µm (0,7 a 6,2‰) e >20 e >64µm (5,2 a 18,8‰). A variedade de esteróis aponta para múltiplas fontes. A fração >0,7µm apresentou somatório de esteróis (média de 14,85 e 30,51µg.L-1 em RPS e BS, respectivamente) duas ordens de grandeza acima do encontrado para a fração dissolvida (média de 135,2 e 174,0ng.L-1 em RPS e BS, respectivamente).Em RPS, as demais frações apresentaram valores médios semelhantes entre elas (>20µm: 34,4µg.g-1 e >64µm: 35,9µg.g-1), diferindo em BS, com média de 47,3µg.g-1(>20µm) e 134,6µg.g-1 (>64µm). A proporção relativa entre esteróis evidenciou as fontes terrígenas e esgoto doméstico, respectivamente pela maior importância do β-sitosterol e coprostanol em menores salinidades. As fontes e processos estuarinosforam destacados pelo colesterol e campesterol em maiores salinidades. Colestanol e colestanona, principalmente em BS na estiagem (particulado e dissolvido), sugerem intensa atividade metabólica bacteriana atuando sobre a matéria orgânica.Houve uma distribuição bimodal de n-alcanos nos dois estuários, indicando mistura de fontes. Entre os n-alcanos de cadeia curta (n-C10 – n-C20) predominaram os pares, com destaque para o n-C10 en-C16 a n-C20. Entre os de cadeia longa (n-C21 – n-C40), não houve predominância entre pares/ímpares, com maior destaque do n-C27 ao n-C33. No estuário exportador do RPS, ocorre predomínio de fontes terrígenas em elevada precipitação, neutralizando a influência da maré, porém com maior atuação de processos estuarinos em estiagem. No estuário retentor da BS, ocorre um gradiente salino com influência continental restrita a região ribeirinha e predomínio de compostos e processos autóctones nas outras áreas da baía.
ABSTRACT
The characterization of organic material that reaches the estuaries is essential for elucidation transport and decomposition processes that occur in these environments. The study aimed to characterize the different fractions of organic matter in the estuarine salinity gradient under different hydrodynamic conditions and relate with sources and processes in the continent-ocean interface. Paraiba do Sul River Estuary (PSR) and Sepetiba Bay (SB) were sampled in wet and dry periods considering tidal cycle and salt gradient, respectively. The physico-chemical parameters, suspended particulate matter (SPM) and chlorophyll a showed the absence of saline wedge influence in tidal cycle during rainyseason at PSR. Less variation in those parameters were observed due to high turbidity and water mass mixing, opposite to that found in dry period. In SB there was a spatial gradient with salinity increasefrom São Francisco Channel to the central of the Bay, salinity 32. The C/N ratio showed low values in the SPM fraction (>0.7µm), ranging between 1.1 and 6.1 in both estuaries. In the suspended material>20 and>64µm C/N range from 4.4 to 18.6. This parameter showed negative correlation with the δ13C (-0.80 in SPM fraction and-0.82 in >20 and >64µm; p<0.05). The δ13C showed similar behavior between those fractions in estuaries, with lighter values in lower salinities, marking terrestrial C3 plants (minimum -25.5 ‰) and tending to heavier values towardsin more saline water, marking phytoplankton (maximum -17.1 ‰). Unlike, the δ15N did not showed trend with salt gradient, presenting isotopic fractionation between>0.7µm (0.7 to 6.2 ‰) and>20 and>64µm (5.2 to 18.8 ‰). The sterolspointedfor multiple sources. The fraction>0.7µm showed the sum of sterols (mean 14.85 and 30.51µg.L-1 in PSR and SB, respectively) two magnitude orders higher than found for the dissolved fraction (mean 135.2 and 174,0ng.L-1 in PSR and SB, respectively). In PSR, the particulate fractions showed similar mean values (>20µm: 34.4µg.L-1 and>64µm: 35.9µg.L-1), differing from SB that presented 47.3µg.L-1(>20µm) and 134.6µg.L-1(>64µm). The relative proportion between sterols showed the predominance of terrigenous sources and sewage, withmajor importance of β -sitosterol and coprostanol in lower salinities. The estuarine trophic processes were highlighted by cholesterol and campesterol in higher salinities. Cholestanol and cholestanone, especially during dry period in BS (particulate and dissolved), suggest intense bacterial activity acting on organic matter decomposition. A bimodal distribution of n-alkanes was found in the two estuaries, indicating mixture sources. Short chain n-alkanes (n-C10 – n-C20) predominated in pairs, with emphasis on the n-C10 and n-C16 to n-C20. In the long chain (n-C21 – n-C40), there was no predominance of odd/even, most notably from n-C27 to n-C33In exporter estuary PSR, there is a predominance of terrigenous sources with high precipitation, neutralizing tide influence, but with greater estuarine processes in dry period. In retainer estuary SB, is a salt gradient with continental influence restricted to river area and predominance of authoctonous compounds and processes in other bay areas.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Biossíntese dos esteróis a partir do Esqualeno (KILLOPS; KILLOPS,2005)... 33 Figura 2 - Bacia de drenagem do Rio Paraíba do Sul (ANA, 2011)... 38 Figura 3 - Bacia de drenagem da Baía de Sepetiba (MOLISANI et al., 2006).. 42 Figura 4 - Distribuição dos sedimentos e massas d’água na Baía de Sepetiba (COSTA et al., 2005)... 43 Figura 5- Imagem de satélite do estuário do Rio Paraíba do Sul, com os respectivos pontos de coleta de água subsuperficial em ciclos de maré de 12 horas. Os pontos 13, 14 e 15 representam a área externa do estuário amostrada em período chuvoso... 45 Figura 6 - Imagem de satélite da Baía de Sepetiba, com os respectivos pontos de coleta de água subsuperficial no gradiente salino... 45 Figura 7 - Imagens de satélite da região sudeste do Brasil no período das coletas em período chuvoso e de estiagem... 47 Figura 8 - Fluxograma demonstrativo das matrizes amostrais e respectivas análises realizadas... 48 Figura 9 - (a) Esquema de filtração por gravidade em cartuchos com polímero C18, para obtenção do material dissolvido por SPE. (b) Adição de metanol para obtenção do extrato lipídico... 49 Figura 10 - Esquema da coluna cromatográfica com pipeta Pasteur para fracionamento dos extratos lipídicos... 52 Figura 11 - Exemplo de cromatograma típico relativo aos esteróis pesquisados nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 56 Figura 12 - Exemplo de cromatograma típico relativo aos n-alcanos pesquisados (n-C10- n-C40) nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 56 Figura 13 - Curva de calibração obtida para cálculo de esteróis... 55 Figura 14 - Curva de calibração obtida para cálculo de n-alcanos... 55 Figura 15 - Distribuição da velocidade da corrente durante o ciclo de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul em estação chuvosa e de estiagem. Vazões negativas indicam entrada de água do mar devido à elevação da maré... 59 Figura 16 - Distribuição da salinidade na água subsuperficial do estuário do Rio Paraíba do Sul em ciclos de maré... 59 Figura 17 - Distribuição da condutividade na água subsuperficial do estuário do Rio Paraíba do Sul em ciclos de maré...
Figura 18 - Distribuição da temperatura na água subsuperficial do estuário do Rio Paraíba do Sul em ciclos de maré... 60 Figura 19 - Distribuição do pH na água subsuperficial do estuário do Rio Paraíba do Sul em ciclos de maré... 61 Figura 20 - Distribuição do oxigênio dissolvido na água subsuperficial do estuário do Rio Paraíba do Sul em ciclos de maré... 62 Figura 21 - Distribuição do material particulado em suspensão na água subsuperficial em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 62 Figura 22 - Distribuição de clorofila a na água subsuperficial em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 63 Figura 23 - Distribuição do carbono orgânico dissolvido na água subsuperficial em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)...
64 Figura 24 - Distribuição do carbono orgânico e razão C/N do material particulado em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 65 Figura 25 - Distribuição do percentual de carbono orgânico e razão C/N do material em suspensão >20 e >64µm em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 65 Figura 26 - Distribuição do δ13C na fração do MPS em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 66 Figura 27 - Distribuição do δ13C no material em suspensão >20 e >64µm em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 67 Figura 28 – Distribuição do δ15N na fração do MPS em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 67 Figura 29 - Distribuição do δ15N no material em suspensão >20 e >64µm em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 68 Figura 30 - Distribuição do somatório de esteróis por ponto de amostragem (a) e percentual relativo de esteróis no material dissolvido (b) em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 69 Figura 31 - Distribuição do somatório de esteróis por ponto de amostragem (a) e percentual relativo de esteróis (b) na fração do MPS em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 70
Figura 32 - Distribuição do somatório de esteróis por ponto de amostragem (a) e percentual relativo de esteróis (b) no material em suspensão >20 e >64µm em ciclos de maré no estuário do Rio Paraíba do Sul, de acordo com a salinidade (segunda linha do eixo x)... 71 Figura 33 - Distribuição espacial da salinidade na água subsuperficial da Baía de Sepetiba... 75 Figura 34 - Distribuição espacial da temperatura na água subsuperficial da Baía de Sepetiba... 76 Figura 35 - Distribuição espacial do pH na água subsuperficial da Baía de Sepetiba... 77 Figura 36 - Distribuição espacial do oxigênio dissolvido na água subsuperficial da Baía de Sepetiba... 77 Figura 37 - Distribuição espacial do material particulado em suspensão na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 78 Figura 38 - Distribuição espacial da concentração de clorofila a suspensão na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 79 Figura 39 - Distribuição espacial do carbono orgânico dissolvido na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 79 Figura 40 - Distribuição espacial do percentual de carbono orgânico e razão C/N da fração do MPS na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 80 Figura 41 - Distribuição espacial do percentual de carbono orgânico e razão C/N do material em suspensão >20 e >64µm na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 81 Figura 42 - Distribuição espacial do δ13C na fração do MPS na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 81 Figura 43 - Distribuição espacial do δ13C do material em suspensão >20 e >64µm na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 82 Figura 44 - Distribuição espacial do δ15N na fração do MPS na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 82 Figura 45 - Distribuição espacial do δ15N no material em suspensão >20 e >64µm na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 83
Figura 46 - Distribuição espacial do somatório de esteróis por ponto de amostragem (a) e percentual relativo de esteróis (b) no material dissolvido na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 84 Figura 47 - Distribuição espacial do somatório de esteróis por ponto de amostragem (a) e percentual relativo de esteróis (b) na fração do MPS na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 85 Figura 48 - Distribuição espacial do somatório de esteróis por ponto de amostragem (a) e percentual relativo de esteróis (b) no material em suspensão >20 e >64µm na água subsuperficial da Baía de Sepetiba. A segunda linha do eixo x indica a salinidade... 86 Figura 49 - Projeção espacial da ordenação dos vetores dos parâmetros de suporte (a) e amostras (b)nas duas componentes principais. S: Baía de Sepetiba. P: Rio Paraíba do Sul. c: chuva. e: estiagem... 94 Figura 50- Projeção espacial da ordenação dos vetores de n-alcanos, esteróis e parâmetros de suporte (a) e das amostras (b) nas duas componentes principais no material dissolvido nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba. S: Baía de Sepetiba. P: Rio Paraíba do Sul. c: chuva. e: estiagem... 97 Figura 51 - Projeção espacial da ordenação dos vetores dos parâmetros (a) e amostras (b) nas duas componentes principais no material particulado nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba. S: Baía de Sepetiba. P: Rio Paraíba do Sul. c: chuva. e: estiagem... 99 Figura 52 - Projeção espacial da ordenação dos vetores dos orgânicos com alguns parâmetros de suporte (a) e amostras (b) nas duas componentes principais no material em suspensão >20 e >64µm nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba. S: Baía de Sepetiba. P: Rio Paraíba do Sul. c: chuva. e: estiagem... 101 Figura 53 - Perfil das razões isotópicas no material particulado em suspensão >0,7µm (a) e no material em suspensão >20 e >64µm (b) nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba. Entre o tracejado, faixa de variação para algas marinhas, segundo MEYERS (1997)... 105 Figura 54 - Perfil da correlação entre o δ15N e percentual de nitrogênio orgânico na fração do MPS (>0,7µm) e no material em suspensão >20 e >64µm (b) nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 107 Figura 55 - Razão 5β/(5α+5β) (coprostanol/(coprostanol+colestanol)) no material dissolvido, particulado e no material orgânico >20 e >64µm no estuário do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 113 Figura 56 - Exemplo de distribuição de n-alcanos nos estuários do Rio Paraíba do Sul (a) e Baía de Sepetiba (b). Amostras 9BS (20µm) e 6RPS (64µm)... 116
Figura 57 - Dendograma referente às amostras (a), considerando os parâmetros de suporte (b) em RPS e BS... 144 Figura 58 - Dendograma referente às amostras (a) e parâmetros (b) no material dissolvido em RPS e BS... 145 Figura 59- Dendograma referente às amostras (a) e parâmetros (b) no material particulado em RPS e BS... 146 Figura 60 - Dendograma referente às amostras (a) e parâmetros (b) no material em suspensão >20 e >64µm em RPS... 147
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Esteróis utilizados neste trabalho, com nome oficial, número de carbonos e informação ambiental associada... 35 Tabela 2 - Descarga média dos rios contribuintes à bacia de drenagem da Baía de Sepetiba (CUNHA et al., 2006)... 41 Tabela 3 - Pontos de coleta nas campanhas realizadas em período chuvoso e de estiagem... 46 Tabela 4 - frações obtidas a partir da água subsuperficial nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 48 Tabela 5 - Frações de lipídios gerados após a extração dos sedimentos, com as frações 1 e 4 relativas a n-alcanos e esteróis, respectivamente... 51 Tabela 6 - índices utilizados para n-alcanos no material dissolvido e particulado no estuário do Rio Paraíba do Sul... 73 Tabela 7 - índices utilizados para n-alcanos do material em suspensão >20 e >64µm no estuário do Rio Paraíba do Sul... 74 Tabela 8 - índices utilizados para n-alcanos no material dissolvido e particulado na Baía de Sepetiba... 87 Tabela 9 - índices utilizados para n-alcanos no material em suspensão >20 e >64µm na Baía de Sepetiba... 89 Tabela 10 - Somatório da concentração de esteróis para águas superficiais em vários ambientes aquáticos (valores em µg.L-1)... 109 Tabela 11 - Somatório da concentração de n-alcanos para águas superficiais em vários ambientes aquáticos (valores em µg.L-1)... 114 Tabela 12 - Parâmetros de suporte pesquisados na água subsuperficial dos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 135 Tabela 13 - Concentração de esteróis (ng.L-1) pesquisados no material dissolvido na água subsuperficial nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 136 Tabela 14 - Concentração de esteróis (µg.L-1) pesquisados na fração do MPS (>0,7µm) na água subsuperficial nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 137 Tabela 15 - Concentração de esteróis (µg.L-1) pesquisados no material em suspensão >20 e >64µm na água subsuperficial nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 138 Tabela 16- Composição elementar e isotópica nas frações do material particulado suspensão (>0,7µm, >20 e >64µm) na água subsuperficial nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba... 139
Tabela 17 - Correlação entre os parâmetros de suporte pesquisados nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba. Valores em
negritoindicam correlação significativa
(p<0,05)... 140 Tabela 18- Correlação entre os parâmetros pesquisados no material dissolvido na água subsuperficial nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba. Valores em negritoindicam correlação significativa (p<0,05)... 141 Tabela 19 -Correlação entre os parâmetros pesquisados na fração do MPS (>0,7µm) na água subsuperficial nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba. Valores em negrito indicam correlação significativa (p<0,05)... 142 Tabela 20 -Correlação entre os parâmetros pesquisados em material em suspensão >20 e >64µm nos estuários do Rio Paraíba do Sul e Baía de Sepetiba. Valores em negrito indicam correlação significativa (p<0,05)... 143
LISTA DE ABREVIATURAS
APC Análise de componentes principais BSTFA bis(trimethylsilyl)trifluoro-acetamida BS Baía de Sepetiba
Cla. Clorofila
COD Carbono orgânico dissolvido Corg Carbono orgânico
SPE Solid-phase extraction
IPC Índice de preferência do carbono MO Matéria orgânica
MPS Material particulado em suspensão RPS Rio Paraíba do Sul
rs Correlação de Spearman RTA Razão terrestre/aquático
S Salinidade
T Temperatura
TOC Total Organic Carbon
Alc Somatório de n-alcanos
IPC15 Índice de preferência do carbono para cadeia curta IPC25 Índice de preferência do carbono para cadeia longa Cop Coprostanol Col.ol Colesterol Col.anol Colestanol Col.na Colestanona Camp Campesterol Estig Estigmasterol Est.anol Estigmastanol
SUMÁRIO RESUMO ABSTRACT LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE ABREVIATURAS 1 INTRODUÇÃO... 16 1.1 OBJETIVO GERAL... 20 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 20 1.3 HIPÓTESE... 21 2.BASE TEÓRICA... 22
2.1 TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA ORGÂNICA NA INTERFACE CONTINENTE-OCEANO... 22
2.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA E MARCADORES GEOQUÍMICOS DA MATÉRIA ORGÂNICA... 24
2.2.1Composição elementar da matéria orgânica (carbono e nitrogênio)... 25
2.2.2 Composição isotópica do carbono (δ13C)... 26
2.2.3 Composição isotópica do nitrogênio (δ15N)... 29
2.2.4 Lipídios... 30
2.2.4.1 Hidrocarbonetos... 30
2.2.4.2 Esteróis... 33
3 MATERIAL E MÉTODOS... 37
3.1 ÁREAS DE ESTUDO... 37
3.1.1 Rio Paraíba do Sul... 37
3.1.2 Baía de Sepetiba... 40
3.2 AMOSTRAGEM E PARÂMETROS DE CAMPO... 44
3.3 ANÁLISES EM LABORATÓRIO... 49
3.3.1 Clorofila a... 49
3.3.2 Carbono orgânico dissolvido... 50
3.3.3 Composição elementar e isotópica do carbono e nitrogênio... 50
3.3.4 Identificação e quantificação de esteróis e n-alcanos... 51
3.4 ANÁLISES ESTATÍSTICAS... 56
4 RESULTADOS... 58
4.1 ESTUÁRIO DO RIO PARAÍBA DO SUL... 58
4.1.1 Parâmetros de suporte... 58 4.1.1.1 Velocidade da corrente... 58 4.1.1.2 Salinidade e condutividade... 59 4.1.1.3 Temperatura... 60 4.1.1.4 pH... 61 4.1.1.5 Oxigênio dissolvido... 61
4.1.1.6 Material particulado em suspensão (MPS)... 62
4.1.1.7 Clorofila a... 63
4.1.2 Composição orgânica... 64
4.1.2.1 Carbono orgânico dissolvido (COD) ... 64
4.1.2.2 Percentual de carbono orgânico e razão C/N... 64
4.1.2.3 Razões isotópicas do carbono e nitrogênio... 66
4.1.2.4 Esteróis marcadores... 68 4.1.2.5 N-alcanos... 72 4.2 BAÍA DE SEPETIBA... 75 4.2.1 Parâmetros de suporte... 75 4.2.1.1 Salinidade... 75 4.2.1.2 Temperatura... 76 4.2.1.3 pH... 76 4.2.1.4 Oxigênio dissolvido... 77
4.2.1.5 Material particulado em suspensão (MPS)... 78
4.2.1.6 Clorofila a... 78
4.2.2 Composição orgânica... 79
4.2.2.1 Carbono orgânico dissolvido (COD)... 79
4.2.2.2 Percentual de carbono orgânico e razão C/N... 80
4.2.2.3 Razões isotópicas do carbono e nitrogênio... 81
4.2.2.4 Esteróis marcadores... 83
4.2.2.5 N-alcanos... 86
5 DISCUSSÃO... 90
5.1 CARACTERIZAÇÃO HIDROGEOQUÍMICA DOS SISTEMAS ESTUDADOS... 90
5.2 PARTIÇÃO E COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA RELACIONADA À SUA DISTRIBUIÇÃO SAZONAL E ESPACIAL NOS ESTUÁRIOS DO RIO PARAÍBA DO SUL E BAÍA DE SEPETIBA... 95
5.3 CARACTERIZAÇÃO DE FONTES ALÓCTONES E PROCESSOS AUTÓCTONES... 102
5.3.1 Fontes e transformação da matéria orgânica particulada... 102
5.3.2 Origem e diagênese entre as diferentes frações da matéria orgânica... 108
6 CONCLUSÃO... 119
7 REFERÊNCIAS... 122
1 INTRODUÇÃO
A interface continente-oceano é uma região fundamental no ciclo global do carbono, onde ocorrem interações peculiares entre o ambiente terrestre e marinho, assim como várias transformações biogeoquímicas. Essa interface representa um dos sítios que controlam o fluxo de água e matéria orgânica e inorgânica, fundamentais para os balanços globais dos elementos. Nesse contexto, os estuários desempenham um papel fundamental como ambientes de transição entre o terrestre e o marinho, estando entre os ecossistemas mais produtivos da Terra. Devido às características hidrodinâmicas que retém os nutrientes inorgânicos e por possuírem áreas abrigadas vitais para inúmeras espécies de organismos, sua produtividade primária é normalmente maior que a fluvial e marinha adjacentes (KNOPPERS et al., 2009).
Devido às interações e à pressão exercida sobre os recursos naturais, hoje existem sérios problemas relacionados ao gerenciamento da zona costeira. O crescente e desordenado aumento da população, e seu deslocamento em direção à costa, aumentou a degradação destes ecossistemas. Consequentemente, a pressão exercida sobre os recursos hídricos costeiros vem reduzindo sua resiliência em longo prazo, e assim, limitando sua sustentabilidade (DUXBURY; DICKINSON, 2007). Como resultado, observamos o declínio da qualidade ambiental dos mesmos, alterando a abundância e qualidade de carbono disponível para os organismos (ZIMMERMAN; CANUEL, 2002).
Na classificação geomorfológico-hidrológica dos estuários, estão incluídas as categorias dos deltas, deltas-estuarinos, estuários de vales inundados e de planícies inundadas, lagunas estuarinas e lagunas. Uma feição característica da costa brasileira é a baía-estuarina, que pela definição se enquadra na categoria de
estuários de vales inundados (KNOPPERSet al., 2009).As baías-estuarinas, como a Baía de Sepetiba,são largas nos setores centrais e a montante e mais estreitas nas suas desembocaduras. Possuem diversas entradas fluviais de pequeno porte, tempos de residência elevados das suas massas d’água e, devido à sua proteção ao mar, apresentam condições propícias para o desenvolvimento de atividades humanas de relevância socioeconômica, tal como urbanização, industrialização e a instalação de portos. A maioria possui manguezais bem desenvolvidos e a maior fração da produtividade primária ocorre dentro dos estuários. São exemplos de baía-estuarina a Baía de Guanabara (RJ), de Santos (SP) e Todos os Santos (BA). Por outro lado, os deltas-estuarinos, como o estuário do RioParaíba do Sul, se caracterizam por depósitos expressivos e uma zona de mistura estuarina tanto adentro quanto afora da desembocadura do rio. Possuem manguezais e a maior parte da produtividade primária fitoplanctônica ocorre nas plumas costeiras. São exemplos o Rio Amazonas (AM) e São Francisco (SE/AL) (KNOPPERSet al., 2009).
Os estuários são um dos ambientes mais desafiadores da Terra para se estudar a origem, as vias de entrada e destino do material orgânico, seja ele particulado ou dissolvido. A origem de sua matéria orgânica é complexa e as fontes podem incluir produção primária in situ, ressuspensão de sedimentos, transporte de material terrestre por rios, escoamento superficial, águas subterrâneas, deposição atmosférica e material oriundo da costa oceânica transportado pelas marés, correntes e ondas (HEDGES; KEIL, 1999; MANNINO; HARVEY, 1999).Em sistemas aquáticos impactados pelas atividades humanas, além das fontes naturais, rejeitos urbanos e industriais são também importantes na composição da matéria orgânica. Devido à relevância de suas fontes e à potencialidade de impactos, podem-se destacar como os grupos mais importantes de agentes poluidores originados pelas atividades humanas os componentes do esgoto doméstico, os compostos petrogênicos e os metais pesados (MELGES-FIGUEIREDO, 1999).
As forçantes da descarga de água doce e maré variam diariamente e a mistura turbulenta de água doce e salgada pode gerar mudanças abruptas na temperatura, salinidade, turbidez, pH e concentração de elementos bioativos. Sobrepostos à hidrodinâmica estão os processos biológicos, agindo em escala que varia de segundos a meses. Todos esses processos atuando sobre a matéria orgânica complicam o delineamento das vias de trânsito desse material, e por conta
disto, muitas transformações em estuários ainda permanecem obscuras (HEDGES; KEIL, 1999).
O tamanho das moléculas orgânicas em sistemas aquáticos pode ser a chave para o entendimento sobre o que controla sua composição e reatividade. Para essa finalidade, existe a necessidade de meios para o isolamento de diferentes classes de tamanho para acessar distintos espectros de materiais, seja dissolvido ou particulado (HEDGES; KEIL, 1999).Portanto, definir as fontes e composição da matéria orgânica dissolvida e particulada nesses ambientes é essencial para a compreensão do ciclo do carbono, e em particular, para o entendimento da importância do carbono continental ou estuarino como fonte de energia e biomassa para os sistemas costeiros (MANNINO; HARVEY, 1999), e conseqüentemente para a produtividade pesqueira local ou regional.
Os processos relacionados à produção, transporte, acumulação, ciclagem e deposição da matéria orgânica na interface continente-oceano podem ser mais bem compreendidos por meio da aplicação de marcadores geoquímicos. Estes são compostos específicos produzidos por determinados grupos de organismos, cuja identificação em ambientes naturais permite inferências sobre a origem e os processos de evolução da matéria orgânica (ZIMMERMAN; CANUEL, 2000; CANUEL; MARTENS, 2001; JAFFÉ et al., 2001; SALIOT, 1994). Estes marcadores podem caracterizar os materiais quanto a sua composição elementar (carbono e nitrogênio), isotópica (δ13C e δ15N) e molecular (lipídios e fenóis da lignina).
Para caracterizar a matéria orgânica que está sendo lançada e os processos de transformação ao longo dos estuários, muitas metodologias têm sido empregadas (COTANO; VILLATE, 2006), tais como a mensuração de marcadores lipídicos específicos, como esteróis e n-alcanos. Sua aplicação pode proporcionar uma melhor compreensão sobre as interações entre o continente e o oceano. No entanto, são poucos os trabalhos desenvolvidos em estuários que se reportam à composição lipídica no material orgânico particulado e, sobretudo, no dissolvido (MCCALLISTERet al., 2006; XU; JAFFÉ, 2007).Nesse contexto, observamos a importância de uma melhor compreensão das fontes do carbono orgânico e sua ciclagem em ecossistemas estuarinos, assim como predizer os efeitos futuros do aumento da população no estoque de carbono costeiro (COUNTWAY et al., 2007).
A Baía de Sepetiba (BS), um complexo sistema estuarino no Estado do Rio de Janeiro, é um exemplo do que vem acontecendo nas áreas costeiras e estuarinas
em todo o mundo, onde as pressões antrópicas vêm ocasionando alterações de suas características ambientais causadas por impactos gerados na zona costeira e na sua bacia de drenagem como consequência do processo de industrialização e urbanização. Estes processos têm sido responsáveis pela introdução de contaminantes em suas águas, fazendo da região, a segunda principal receptora de efluentes do Estado do Rio de Janeiro, depois da Baía de Guanabara (AMADO FILHO, 1999).
O Rio Paraíba do Sul (RPS) apresenta grande importância socioeconômica, pois sua extensa bacia está inserida nos estados de São Paulo, Minas Gerais e Rio de Janeiro, na região de maior importância econômica do Brasil (Sudeste), sendo fonte de abastecimento de água para milhões de pessoas. No entanto, vem sofrendo uma série de modificações como a construção de barragens, transposições e desvios em seu curso, assim como descarte advindo das indústrias e cidades que estão inseridas em sua bacia hidrográfica (COPPETEC, 2006).
Os estuários do Rio Paraíba do Sule Baía de Sepetiba são sistemas que apresentam hidrodinâmicas distintas, onde BS, por ser uma baía-estuarina, possui características de ambiente retentor, devido ao menor aporte de rios e semiconfinamento causado pelo seu cordão arenoso onde está inserida a Restinga de Marambaia. Já a foz do RPS é classificada como um delta-estuarino, apresentando maior hidrodinâmica, com grande importância na exportação de materiais para a zona costeira devido ao elevado fluxo fluvial.
A partir do cenário apresentado, torna-se importante a avaliação da origem e qualidade dos materiais que são gerados, transportados e possivelmente alterados no gradiente estuarino desses sistemas, de forma a se obter uma melhor compreensão sobre sua estrutura e funcionamento, assim como os processos que ocorrem nestes ambientes com distintas condições hidrodinâmicas e impactos antrópicos.
1.1 OBJETIVO GERAL
Determinar a origem da matéria orgânica dissolvida e particulada presente no gradiente salino de estuários sob distintas condições hidrodinâmicas, neste estudo representados pelos estuários do Rio Paraíba do Sul e da Baía de Sepetiba, e relacioná-las com as fontes e processos geoquímicos na interface continente-oceano.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
⇒ Determinara variação sazonal da água subsuperficial no gradiente
salino,através de parâmetros suporte, como físico-química, clorofilaa, COD e MPS;
⇒ Identificar as fontes e processos de alteração da matéria orgânica dissolvida,
através de sua composição molecular (n-alcanos e esteróis), no gradiente salino dos estuários do Rio Paraíba do Sul e da Baía de Sepetiba;
⇒ Identificar as fontes e processos diagenéticos em diferentes frações da
matéria orgânica particulada, através de sua composição elementar (C,N), isotópica (δ13C e δ 15N) e molecular (n-alcanos e esteróis), no gradiente salino dos estuários do Rio Paraíba do Sul e da Baía de Sepetiba;
1.3 HIPÓTESE
A extensão do gradiente salino e a composição orgânica das frações particuladas e dissolvidas na interface continente-oceano é determinada pela conjunção de fatores hidrodinâmicos e o balanço entre as fontes alóctones e os processos autóctones.
Com isto, espera-se para um estuário exportador como o do Rio Paraíba do Sul que a composição orgânica indique o predomínio de um material típico de fontes terrígenas e para um estuário retentor, como a Baía de Sepetiba espera-se um gradiente salino menor, com maior influencia continental restrita a região ribeirinha e o predomínio de compostos autóctones nas outras regiões.
2 BASE TEÓRICA
2.1 TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA ORGÂNICA NA INTERFACE CONTINENTE-OCEANO
O elemento carbono, apesar de contabilizar apenas 0,08% da litosfera, hidrosfera e atmosfera combinados e ser somente o 12° elemento da crosta terrestre em termos de abundância, é um elemento de extrema importância, pois seus compostos formam a base de toda a vida na Terra. O ciclo do carbono é um processo-chave para o planeta, envolvendo várias transformações biogeoquímicas dentro de dois subciclos, o geológico e o biológico. As entradas e saídas do carbono nesses estoques estão em balanço, resultando no que pode ser considerado um sistema de “steady state” (estado estático, sem alteração) (KILLOPS; KILLOPS, 2005).
A vida nos oceanos consome grandes quantidades de CO2, sendo que apenas pequenas quantidades de carbono são acumuladas no fundo do mar após a morte dos organismos. No entanto, após um longo período de tempo, este efeito representa uma significativa remoção de carbono da atmosfera, formando nos oceanos o maior reservatório de carbono na Terra (KILLOPS; KILLOPS, 2005).
Além das fontes naturais de matéria orgânica, as regiões costeiras têm recebido fontes extras de material orgânico relacionadas ao despejo de efluentes domésticos e industriais, uso de combustíveis fósseis, mudanças no uso do solo e utilização de defensivos agrícolas, resultando em alterações significativas nos
fluxos de materiais, com efeitos significativos no ciclo do carbono local (CARREIRA; WAGENER, 2002; ZIMMERMAN; CANUEL, 2000).
A dinâmica da pluma estuarina e os processos biogeoquímicos associados variam em escalas de tempo diversas. Sazonalmente, a vazão do rio, a radiação solar e a forçante do vento são importantes, existindo uma variabilidade considerável nesses sinais. Como exemplo, a descarga de partículas na foz de um rio é afetada pelo tempo e magnitude da descarga de água. Existe uma relação não-linear entre o fluxo do rio e o transporte de partículas, resultando em pulsos curtos de intenso aporte de partículas terrestres para o ambiente estuarino. O aporte de material dissolvido também são pulsados, embora não pelas mesmas razões. As entradas e transformações posteriores não são linearmente relacionadas com a magnitude de descarga de água doce. Em escalas de eventos, padrões climáticos contribuem significativamente para as variações na direção, força do fluxo da pluma e sua mistura (DAGG et al., 2004).
A decomposição da matéria orgânica representa importante processo no ciclo do carbono. No ambiente marinho, a matéria orgânica detrital é reciclada por organismos pelágicos na coluna d’água. A pequena quantidade que alcança o sedimento é, em grande parte, reciclada por organismos bentônicos detritívoros. A matéria orgânica detrital que resiste a estas condições pode ser preservada e incorporada aos sedimentos, formando ricos depósitos orgânicos. Estima-se que somente entre 0,1 e 0,01% da produção marinha líquida seja preservada nos sedimentos anualmente (KILLOPS; KILLOPS, 2005).
A matéria orgânica estuarina é uma mistura complexa de compostos orgânicos de diferentes composições químicas, múltiplas fontes e diferentes reatividades (HEDGES et al., 1997). As diversas fontes naturais de matéria orgânica para esses ambientes costeiros incluem a produção primária fitoplanctônica marinha e estuarina e o material terrestre carreado pelos rios (HEDGESet al., 1997; GOÑIet al., 2003). Dependendo da região, o aporte de fontes autóctones e alóctones pode ser altamente variável, como sistemas de grandes rios, regiões de degelo e áreas de ressurgência (VOLKMANet al., 1987).
Altas taxas de produção primária, típicas de muitos estuários, contribuem adicionalmente para formas dissolvidas e particuladas de matéria orgânica na zona costeira (COUNTWAYet al., 2007). Esse material retido antes de sua descarga nas áreas costeiras, pode ser alterado por processos bióticos e
abióticos, tais como respiração microbiana, foto-oxidação, floculação e remoção para o sedimento (HEDGES; KEIL, 1995; COUNTWAYet al., 2007).
As características moleculares e isotópicas das frações de matéria orgânica particulada e dissolvida podem ser influenciadas por processos abióticos e bióticos de troca e remoção (MCCALLISTER et al., 2006). Definir as fontes e a composição dessa matéria orgânica particulada e dissolvida e a dinâmica dessas frações nos estuários é essencial para a compreensão do ciclo do carbono, e em particular definir a importância dos ecossistemas terrestres e estuarinos como fontes de carbono e energia para os sistemas costeiros (MANNINO; HARVEY, 1999).
Muitos estudos têm utilizado com sucesso os marcadores moleculares no estudo da matéria orgânica sedimentar em áreas costeiras, estuários, rios e lagos. Entretanto, essa matéria orgânica já sedimentada nem sempre pode refletir o input original. Nos ambientes aquáticos, as partículas em suspensão servem como importante veículo de transporte do material orgânico aos sedimentos e dessa forma, através do estudo do material em suspensão (particulado e dissolvido), podemos obter uma melhor interpretação sobre as fontes e primeiros processos de degradação do material orgânico ainda na coluna d’água e antes que ele seja lançado na plataforma continental ou depositado nos sedimentos (XÚ; JAFFÉ, 2007).
2.2COMPOSIÇÃO QUÍMICA E MARCADORES GEOQUÍMICOS DA MATÉRIA ORGÂNICA
A investigação sobre o ciclo da matéria orgânica na zona costeira tem estimulado o desenvolvimento de conceitos multidisciplinares, tal como o uso dos marcadores geoquímicos. O termo marcador geoquímico está associado a compostos específicos de uma fonte de matéria orgânica ou processo biogeoquímico, cuja identificação em ambientes naturais permite inferências sobre a origem e os processos de evolução da matéria orgânica (ZIMMERMAN; CANUEL, 2000; JAFFÉet al., 2001), sendo amplamente empregados na avaliação
de processos biogeoquímicos e diagenéticos, principalmente nos sedimentos (VOLKMANet al., 1987; VOLKMANet al., 1998).
Apesar de muitos organismos conterem grupos semelhantes de classes químicas, que executam as mesmas funções bioquímicas, pode haver considerável variação nas quantidades relativas de cada classe de compostos entre diferentes grupos de organismos, refletindo variações nas exigências fisiológicas e metabólicas (KILLOPS; KILLOPS, 2005). Geoquimica e biologicamente, os compostos mais importantes são os carboidratos, proteínas e lipídios. Adicionalmente, plantas superiores contem significantes quantidades de lignina, o maior componente de seu tecido de suporte.
Vários métodos têm sido utilizados e integrados para determinar a origem da matéria orgânica por meio dos marcadores geoquímicos. Entre as técnicas utilizadas estão as medidas elementares, isotópicas e moleculares do carbono orgânico (MEYERS, 1997; CARREIRAet al., 2002). Como medidas elementares e isotópicas, têm-se utilizado a razão entre o carbono orgânico e o nitrogênio total (razão molar C/N) e valores de δ13C e δ15N. A composição elementar da matéria orgânica (razão C/N) é uma ferramenta útil para identificar e diferenciar fontes terrestres e marinhas e em conjunto com as razões 13C/12C e 15N/14N, esteróis e n-alcanos, pode fornecer informações sobre a origem e o destino da matéria orgânica nos ambientes costeiros (CARREIRA et al., 2002).
Entre as medidas moleculares, tem-se utilizado uma variedade de classes de matéria orgânica como proteínas, lipídios e carboidratos totais, fenóis da lignina e marcadores lipídicos, tais como ácidos graxos, esteróis e hidrocarbonetos (HPAs e n-alcanos).
2.2.1 Composição elementar da matéria orgânica (carbono e nitrogênio)
O carbono constitui cerca de 40 a 50% da matéria orgânica viva, influenciando fortemente o ciclo biogeoquímico de outros elementos importantes, como o nitrogênio e oxigênio (MARTINELLIet al., 2009).
O nitrogênio, juntamente com o fósforo, é um dos maiores limitantes da produção primária, tanto aquática como terrestre (REDFIELDet al., 1963). A
fixação de nitrogênio é um processo de grande importância para a dinâmica de ecossistemas naturais, pois é a principal forma biológica de transferência do nitrogênio da atmosfera para os sistemas aquáticos ou terrestres (MARTINELLIet al., 2009).
A utilização da razão molar do carbono orgânico em conjunto com o nitrogênio (razão C/N) tem sido amplamente empregada em amostras ambientais na caracterização do aporte de matéria orgânica para o ambiente aquático. Esta razão pode fornecer informações sobre a natureza e origem da matéria orgânica, distinguido fontes marinhas e terrestres (MEYERS, 1997).
As plantas superiores apresentam em sua composição altos conteúdos de celulose (40 a 60%), e consequentemente, altos teores de carbono, enquanto o fitoplâncton é rico em proteínas. Portanto, uma razão C/N maior que 20 pode indicar que as plantas vasculares são as principais fontes de material orgânico para o sistema, enquanto que valores entre 4 e 10 são indicativos de fontes marinhas (REDFIELDet al., 1963; MEYERS, 1997). Valores intermediários entre 10 e 20 podem caracterizar uma mistura de fontes marinhas e terrestres.
2.2.2 Composição isotópica do carbono (δδδδ13C)
A composição isotópica do carbono e nitrogênio tem se mostrado uma excelente ferramenta para inferir sobre as fontes e vias de ciclagem da M.O. em ecossistemas aquáticos (MCCALLISTER et al., 2006).
O uso de isótopos estáveis em estudos ambientais baseia-se no fato de que a composição isotópica varia de uma forma previsível, conforme o elemento se move entre os compartimentos dos ecossistemas (MARTINELLIet al., 2009). As características moleculares e isotópicas da M.O. podem ser influenciadas por processos abióticos e bióticos de transformação e remoção, como remoção fotoquímica, perdas por adsorção e dessorção, e modificação bacteriana. Como consequência, os padrões de composição geoquímica podem prover uma descrição mais acurada, quando considerada no contexto de processos biogeoquímicos e físico-químicos (MCCALLISTER et al., 2006).
Neste sentido, assinaturas isotópicas baseadas na razão de diferentes isótopos estáveis (ex.: δ13C e δ15N) têm sido amplamente aplicadas em estudos ambientais para se entender as fontes e ciclagem de nitrogênio e carbono nos ecossistemas costeiros. Os marcadores isotópicos, além de indicar a origem atual da M.O. no ambiente, vêm sendo usados na reconstrução paleoambiental e paleoclimática marinha e continental. Com isso, é possível determinar em qual ambiente a M.O. sedimentar foi criada e depositada, e então reconstruir o ambiente no que diz respeito ao regime pluviométrico, tipo de vegetação presente, zonas inundadas, entre outros (MEYERS, 1997; WALDRON et al., 2001; MEYERS, 2003).
Na natureza, os isótopos “mais leves”, ou seja, com menor massa atômica, são mais abundantes que os isótopos de maior massa atômica, que são mais raros (MARTINELLIet al., 2009). A abundância relativa de 12C e 13C na natureza é de cerca de 98,89 e 1,11%, respectivamente. Compostos carbônicos de origem biológica são relativamente enriquecidos no isótopo mais leve, enquanto que o isótopo mais pesado é retido nas formas principais de carbono inorgânico (carbonato, bicarbonato e dióxido de carbono) (KILLOPS; KILLOPS, 2005; PETERSet al., 2005).
A composição isotópica da matéria orgânica é normalmente expressa por valores delta (δ) (por mil ou ‰) em relação a um padrão, normalmente o PDB (Formação Pee Dee Belamite) (KILLOPS; KILLOPS, 2005; PETERSet al., 2005), expressa pela relação entre o isótopo raro (mais pesado) e o isótopo mais abundante (mais leve) - 13C/12C.
δ13
C (‰) = [(13C/12C amostra–13C/12C padrão) - 1] x 1000
O valor δ para o carbono é uma medida conveniente para descrever pequenas variações na abundância relativa do 13C na matéria orgânica. Um valor
δ negativo implica que a amostra tem depleção do isótopo pesado em relação ao padrão, já um valor positivo significa que a amostra é isotopicamente enriquecida no isótopo pesado em relação ao padrão (KILLOPS; KILLOPS, 2005; PETERSet al., 2005).
A variação isotópica natural em seres vivos, resulta do mecanismo de assimilação de carbono durante a fotossíntese. As plantas terrestres, de acordo com seu padrão de fracionamento isotópico, podem ser divididas em 3 grupos fotossintéticos principais: C3, C4 e CAM. Plantas com via fotossintética C3 (vegetações arbóreas e arbustivas) discriminam o 13C e incorporam preferencialmente o 12C, resultando em valores de δ13C entre -38 a -24 ‰. Já as plantas C4 (ex.: muitas gramíneas) não discriminam o 13C, apresentando valores de δ13C maiores, entre -15 e -11 ‰. A maioria das plantas do tipo CAM (plantas suculentas - cactáceas e bromeliáceas) apresentam valores de δ13C típicos de plantas C4. Contudo, sob certas condições ambientais e em alguns estágios de desenvolvimento, algumas espécies CAM facultativas podem trocar o modo fotossintético para C3 (MARTINELLI et al., 2009).
Como o fitoplâncton marinho fixa o carbono do meio em que vivem (água do mar, rica em bicarbonato), apresentam geralmente valores de δ13C entre -24 a -18 ‰ (MARTINELLIet al., 2009).
Deste modo, a matéria orgânica apresentará valores de assinatura isotópica de δ13C característica, em função de sua origem, sendo possível a utilização dessa ferramenta como traçador de fonte de carbono. O quadro 1 apresenta resumidamente os valores de δ13C para cada grupo de organismos fotossintetizantes.
Quadro 1: Faixa de variação dos valores de δ13C para cada grupo de organismos fotossintetizantes, segundo Martinelliet al. (2009).
Grupo de Vegetais Grupo
Fotossintético Valores de δ 13 C Vegetações arbóreas e arbustivas C3 -38 a -24 ‰ Gramíneas C4 C4 -15 a -11 ‰ Suculentas CAM -15 a -11 ‰ Fitoplâncton --- -24 a -18 ‰
2.2.3 Composição isotópica do nitrogênio (δδδδ15N)
As variações isotópicas do nitrogênio estável são bem mais complexas que as do carbono. Como o nitrogênio é um elemento limitante na produção primária, ao longo do processo evolutivo, as plantas desenvolveram vários mecanismos para utilizar e explorar diferentes formas e fontes desse elemento (MARTINELLIet al., 2009).
As plantas absorvem do solo, principalmente as formas inorgânicas NH4 e NO3 e, portanto, sua composição isotópica será uma função da composição isotópica dessas formas inorgânicas e também da disponibilidade dessas fontes. Assim, uma mesma espécie de planta pode ter composições isotópicas distintas em função da disponibilidade das formas inorgânicas de nitrogênio e de sua composição isotópica (MARTINELLIet al., 2009). Portanto, o valor isotópico será função da forma de assimilação do nitrogênio e dos processos envolvidos.
Embora o δ15N seja uma ferramenta para o estudo de processos, muitos autores têm utilizado para inferir fontes de matéria orgânica, assim como para compreender o fluxo de energia nos diversos ecossistemas. Em estudo realizado por Martinelliet al.(2009) em diversos tipos de vegetações brasileiras, foram encontrados dois intervalos de valores para o δ15N: -2 a 0‰ em plantas de savanas brasileiras; e, 5 a 7‰ em florestas. Outros valores reportados na literatura sugerem valores na faixa de 5,9 a 15,0‰ para sedimentos e 8,6‰ para o fitoplâncton (MEYERS, 2003).
Devido a complexidade que envolve a composição isotópica do nitrogênio estável nas plantas terrestres, se torna mais complicado interpretar o significado ecológico desses valores sem informações adicionais sobre o sistema. No entanto,em estudo realizado na Lagoa hipersalina de Araruama (GUERRA, 2008), através da utilização do δ15N,foi possível delinear claramente o estágio de processamento da matéria orgânica desde o local de seu lançamento pelo Rio Maturama até seu local de deposição na região central da lagoa, sendo observada grande correlação negativa significativa com o coprostanol(rs=-0,90; p<0,05), auxiliando na interpretação dos resultados encontrados para coprostanol.
Desta forma, embora individualmente possa-se obter bons resultados com o δ15N, sua utilização em conjunto com outros marcadores,pode prover uma resolução adicional dos processos que estão ocorrendo no ambiente.
2.2.4 Lipídios
Os lipídios podem ser definidos como todas as substâncias produzidas por organismos que são efetivamente insolúveis em água, mas são extraíveis por solventes que dissolvem gorduras (KILLOPS; KILLOPS, 2005). Os lipídios, tais como os esteróis, hidrocarbonetos e ácidos graxos, são compostos orgânicos presentes em todos os organismos, naturalmente presentes nos ecossistemas aquáticos e, portanto, podem ser utilizados na identificação de fontes e sumidouros de carbono em diferentes compartimentos dos ecossistemas (WAKEHAM, 1995).
Os marcadores lipídicos podem fornecer importantes informações sobre a fonte, os mecanismos de transporte e as alterações da matéria orgânica devido ao alto potencial de preservação destas moléculas em ambientes aquáticos, quando comparados à outras classes biogeoquímicas (WAKEHAMet al., 1997).
Uma extração lipídica contem muitas classes de compostos de origem biogênica e antropogênica, sendo que as mais importantes na caracterização da matéria orgânica são as classes dos n-alcanos, ácidos graxos e esteróis, as quais possuem uma boa especificidade em relação à fonte e maior resistência aos processos de degradação bacteriana (VOLKMAN, 2003).
2.2.4.1 Hidrocarbonetos
Os hidrocarbonetos são uma mistura complexa de elementos químicos, derivados de múltiplas fontes, naturais ou antrópicas.As fontes biogênicas de hidrocarbonetos podem ter origem autóctone, originada da produção primária fitoplanctônica e/ou alóctone, proveniente de plantas superiores terrestres
(BOURBONNIEREet al., 1997). Entre as fontes antropogênicas de hidrocarbonetos, estão os efluentes domésticos e industriais, produtos resultantes da combustão de produtos fósseis, derrames crônicos ou agudos de petróleo e derivados, da produção offshore, transporte marítimo e estocagem de petróleo e derivados (BOULOUBASSI; SALIOT, 1993; CARREIRA et al., 2009).
As principais classes de hidrocarbonetos analisados em estudos ambientais são os hidrocarbonetos alifáticos (saturados), compreendendo os n-alcanos, alcanos ramificados e cicloalcanos e, os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs). Entre os hidrocarbonetos biogênicos, os n-alcanos são os compostos predominantes (LAW; BISCAYA, 1994).
Os n-alcanos de origem biogênica apresentam preferencialmente compostos com cadeias com número ímpar de carbono. Os n-alcanos de origem terrestre são derivados de ceras cuticulares de plantas superiores, constituídas por compostos de cadeias moleculares longas entre 23 e 33 carbonos, predominando os compostos n-C27, n-C29 e n-C31 (VOLKMANet al., 1997).
O fitoplâncton produz hidrocarbonetos com menor peso molecular, com cadeias carbônicas variando entre 15 e 21 carbonos, com predomínio dos compostos n-C15 e n-C17 (BOURBONNIERE et al., 1997; VOLKMAN et al., 1997).
Os n-alcanos de origem fóssil apresentam as mais variadas composições, dependente da fonte específica (petróleo bruto ou derivados). De acordo com as condições físico-químicas, organismos precursores e local de formação, resultará na formação de diferentes tipos de petróleo. Os hidrocarbonetos de origem petrogênica apresentam n-alcanos sem predominância de cadeia com número ímpar ou par de carbonos. Portanto, a ausência de predominância ímpar/par é utilizada para auxiliar na identificação de sedimentos contaminados por petróleo ou derivados (BOURBONNIEREet al., 1997).
Para melhor avaliar a contribuição de fontes de matéria orgânica marinha e terrestre em estudos ambientais, pode-se utilizar alguns índices que indiquem essa origem, tais como a razão RTA (razão entre a matéria orgânica de origem terrestre e aquática) e o IPC (Índice de Preferência de Carbono).
O RTA tem como base a distribuição de n-alcanos de maior e menor peso molecular, onde valores maiores que 1 indicam o predomínio de matéria orgânica de origem terrestre e menores que 1, a predominância de compostos de menor
peso molecular, derivadas de fontes aquáticas de matéria orgânica, principalmente fitoplanctônica (BOURBONNIERE; MEYERS, 1996).
RTA = (n-C27 + n-C29 + n-C31)/ (n-C15 + n-C17 + n-C19)
O IPC é determinado com base na distribuição de n-alcanos pares e ímpares, podendo ser apresentado na forma de 3 expressões. A expressão global incorpora os n-alcanos na faixa do n-C15 até o n-C35, considerando os n-alcanos biogênicos de algas aquáticas e plantas terrestres vasculares e do petróleo e derivados, embora também seja utilizado o índice para n-alcanos de cadeia curta (IPC15-23) e de cadeia longa (IPC23-35). O IPC, sendo calculado somente com a metade mais baixa da série, terá o resultado influenciado por n-alcanos biogênicos de algas e bactérias e produtos mais leves de petróleo, como o óleo combustível. Calculando-se o IPC com os maiores n-alcanos da distribuição, o resultado será influenciado por fontes naturais de plantas terrestres, assim como produtos pesados do petróleo, como o óleo cru e lubrificantes (BOURBONNIEREet al., 1997).
IPC = ½ (ímpares n-C15 + ... + n-C35)/(pares n-C16 + ... + n-C34)
Valores de IPC variando entre 4 e 7 refletem a presença de hidrocarbonetos biogênicos, enquanto valores próximos a 1 indicam geralmente contaminação por petróleo (BOULOUBASSI; SALIOT, 1993).
A presença da mistura complexa não resolvida (UCM - do inglês Unresolved Complex Mixture), quando observados nos cromatogramas dos hidrocarbonetos alifáticos, pode ser um indicativo da contaminação ambiental por petróleo ou seus derivados. Os hidrocarbonetos petrogênicos, quando introduzidos no ambiente aquático, podem ser intemperizados por processos físico-químicos e biológicos. O produto da degradação é evidenciado na análise cromatográfica pela UCM, uma elevação na linha de base do cromatograma na forma de um sino (VOLKMANet al., 1992; CARREIRA et al., 2009). A UCM é constituída de uma mistura de hidrocarbonetos estruturalmente complexos, ramificados ou cíclicos, que não podem ser resolvidos pela coluna capilar e é
considerado um evidente indicadorda contaminação por petróleo nas amostras de água ou sedimento (VOLKMANet al., 1992).
2.2.4.2 Esteróis
Os esteróis são compostos orgânicos pertencentes à classe dos triterpenóides tetracíclicos, sendo biosintetizados em uma grande variedade estrutural(VOLKMANet al., 1987). Sua formação resulta da oxidação enzimática do esqualeno (figura 1). Seus produtos são o cicloartenol, precursor da maioria dos esteróis de plantas, ou lanosterol, precursor de esteróis animais e de fungos, além de alguns outros esteróis de plantas. A oxidação enzimática ou descarboxilação converte lanosterol (C30) a colesterol (C27), que por sua vez é precursor de todos os demais esteróis animais (KILLOPS; KILLOPS, 2005).
Figura 1 - Biossíntese dos esteróis a partir do Esqualeno (KILLOPS; KILLOPS, 2005).
Grande parte do colesterol em animais, e relacionados esteróis em plantas, são ligados a membranas celulares e lipoproteínas. Nas membranas celulares eles estão inseridos entre cadeias adjacentes de ácidos graxos, conferindo a precisa geometria requerida pela membrana (KILLOPS; KILLOPS, 2005).
Entre os esteróis de menor significância no estudo da matéria orgânica estão os hormônios esteróides responsáveis pela regulação da fisiologia animal e humana (ex: testosterona, cortisona, aldosterona etc). Os de significância ambiental são compostos contendo entre 27 (C27) e 30 (C30) carbonos (KILLOPS; KILLOPS, 2005).
Nos ambientes estuarinos, muitas podem ser as fontes de esteróis. Essas podem incluir o fitoplâncton, macroalgas, plantas vasculares, leveduras, fungos, protozoários, plantas inferiores, zooplâncton, fauna bêntica e bactérias. Esse material pode ser produzido in situ ou ser trazido de áreas distantes por correntes ou aporte de rios, podendo sofrer modificações químicas e biológicas (VOLKMAN, 1986).
Muitos estudos têm ressaltado as vantagens dos esteróis como marcadores (VOLKMAN, 1986; XÚ; JAFFÉ, 2007; PRATT; LEEMING, 2008; SANTOS et al., 2008). Hoje, muito se sabe sobre a distribuição de esteróis em sedimentos de diferentes tipos de ambientes. Eles possuem estruturas características, tais como posições de cadeia dupla e padrões de alquilação, os quais são restritos a poucos grupos de organismos. Entretanto, alguns esteróis são amplamente distribuídos em sistemas biológicos, limitando o acesso às fontes de M.O.. Esteróis também podem ser bons marcadores para traçar transformações diagenéticas em sedimentos recentes e antigos (VOLKMAN, 1986) e também tem sido utilizado para caracterizar as fontes de matéria orgânica no material particulado e dissolvido na coluna d’água em estuários (XÚ; JAFFÉ, 2007; MANNINO; HARVEY, 1999; MCCALLISTER et al., 2006).
Os esteróis mais comumente utilizados para estabelecer as fontes de M.O. são os marcadores marinhos (colesterol), fitoplâncton (campesterol, brassicasterol e dinosterol), terrestre (β-sitosterol e estigmasterol) e esgoto doméstico (coprostanol). O colestanol e colestanona (produtos de degradação do colesterol por ação microbiana) e o estigmastanol, podem ser utilizados como indicadores de atividade bacteriana atuando na decomposição da M.O. (CARREIRA et al.,
