UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
INSTITUTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS - GRADUAÇÃO EM QUÍMICA GRUPO DE PESQUISA EM QUÍMICA ANALÍTICA (GPQA)
MILENA SANTOS PINELLI
ESTIMATIVA DE VALORES DE REFERÊNCIA PARA Cd, Co, Cr, Cu, Ni,
Pb E Zn EM SOLOS DO ENTORNO DA BAÍA DO IGUAPE, BAHIA,
BRASIL
Salvador
2012
MILENA SANTOS PINELLI
ESTIMATIVA DE VALORES DE REFERÊNCIA PARA Cd, Co, Cr, Cu, Ni,
Pb E Zn EM SOLOS DO ENTORNO DA BAÍA DO IGUAPE, BAHIA,
BRASIL
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Química, Instituto de Química,
Universidade Federal da Bahia, como requisito
para obtenção do grau de Mestre em Química.
Orientadora: Prof
a. Dr
a. Maria das Graças A. Korn
Co-Orientador: Prof. Dr. Francisco de S. Fadigas
Salvador
2012
Sistema de Bibliotecas – IQ/UFBA
Pinelli, Milena Santos
Estimativa de valores de referência para Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb,e Zn em solos do entorno da Baía do Iguape, Bahia, Brasil / Milena Santos Pinelli. - 2012.
94 f. : il.
Orientador: Profª. Drª. Maria das Graças Andrade Korn Co- orientador: Profº Dr. Francisco de S. Fadigas.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal da Bahia, Instituto de Química, Salvador, 2012.
1. Solos-Iguape, Baía de (Ba). 2. Solos – Metais-Iguape, Baía de (Ba). 3. Solos-Análise-Iguape, Baía de (Ba). I. Korn, Maria das Graças Andrade. II. Fadigas, Francisco de S. III.
Universidade Federal da Bahia. Instituto de Química. IV. Título.
CDD - 631.41
Dedico:
A Maria de Lourdes Santos Pinelli
(
in memorian)
Mãe querida e exemplo de vida.
Sempre te amarei!!
AGRADECIMENTOS
A Deus pela força concedida que me faz seguir em frente.
A todos meus familiares, avós, tios, primos, sobrinho, em especial ao meu pai Alcebíades, minha irmã Patrícia por sempre desejarem meu sucesso, minha irmã Denise e ao meu namorado Julian, pela compreensão e incentivo de persistir na luta.
À minha orientadora Maria das Graças Andrade Korn, pelo total apoio e dedicação.
Ao professor Francisco Fadigas pela co-orientação e pela contribuição na etapa de coleta e pré-tratamento das amostras.
Ao professor Sérgio Carvalho pelas importantes contribuições e disponibilidade no tratamento estatístico dos resultados.
Aos membros da Comissão Examinadora, Profa. Vânia Campos e Prof. Jorge Gonzaga por aceitarem a participar da banca deste trabalho.
À Isa pela grande contribuição e por demonstrar como deve atuar um Químico Analítico.
Aos integrantes do GPQA Dani, por toda atenção, Nila, por sempre me fazer sorrir, Thaís minha quase IC, minha irmã Luciene, Geysa, Fernanda, Larissa, Lília, Tiago, Gabriel, Taiana, Flávia, Amanda, Elane, Mauro (in memorian).
Aos integrantes do GRPQQ, em especial a Daniel e Ivanice pela colaboração.
As minhas grandes amigas Isleide e Mileide por sempre estarem presentes na minha vida.
A todos os funcionários e professores do IQ, em especial a Titio, Wadton, Cláudio e Cristovão, pela importância dos seus trabalhos e a Profa. Soraia Brandão.
Aos meus amigos de curso Ailton, Genicleide, Cloves, Débora, Liliane, Dalila, Roberto, Paula, Elisângela, Tadeu, Sara, Poliana, Gilmara, Marcela, Tatiana, Alfredo, Welliton.
Ao Instituto de Química da UFBA.
Ao Programa de Pós – Graduação em Química da UFBA pela oportunidade.
Ao CNPQ pelo apoio financeiro.
A todas as pessoas que desejam meu sucesso ou que contribuíram direta ou indiretamente para realização deste trabalho.
PINELLI, Milena Santos. Estimativa de valores de referência para Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb e Zn em solos do entorno da Baía do Iguape, Bahia, Brasil. 94 f. 2012. Dissertação (Mestrado em Química) – Instituto de Química, Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2012.
RESUMO
Os metais têm origem natural como componentes das rochas e nesta situação não apresentam riscos aos seres vivos. Atualmente existem poucos estudos relacionados à obtenção de valores de referência para concentrações naturais de metais em solos do Brasil, o que dificulta a ação dos órgãos fiscalizadores e algumas instituições em monitorarem os ambientes que podem ter sido contaminados por indústrias ou outros tipos de empreendimentos. Este trabalho teve como objetivo propor valores de referência para concentração dos metais Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Mn, Ni e Zn em solo do entorno na Baía do Iguape. As amostras foram digeridas em forno de micro-ondas com cavidade utilizando o procedimento da Agência de Proteção Ambiental, EPA 3051A e para as determinações dos analitos foi empregada a espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES). As linhas de emissão selecionadas foram, em nm: Cd II 226,502; Co II 228,615 nm; Cr II 267,716; Cu Il 213,598; Mn II 257,610; Ni II 216,555; Pb II 220,353; e Zn I 213,857. A validação foi feita avaliando-se os limites de detecção (LOD) e de quantificação (LOQ), a faixa linear de trabalho, precisão, análise de material de referência certificado e testes de adição e recuperação. O procedimento validado foi aplicado na caracterização dos solos formados a partir de sedimentos da Formação Barreiras, Arenito e Folhelho, quanto às concentrações dos analitos Cd, Co, Cu, Cr, Mn, Ni, Pb e Zn no entorno da Baía de Iguape. As faixas de concentrações obtidas para as áreas estudadas foram, em mg kg-1: Barreiras encosta: Cd (0,57 - 1,7), Co (4,5 - 5,7), Cr (33 - 73), Cu (7,0 - 16), Mn (74 - 123), Ni (5,0 - 13), Pb (4,8 - 16) e Zn (12 - 30); Barreiras plana: Cd (0,20 - 0,67), Co (1,3 - 2,2), Cr (23 - 48), Cu (3,2 - 4,8), Mn (46 - 56), Ni (4,2 - 12), Pb (2,5 - 8,3) e Zn (12 - 24); Arenito 1 Cd (0,12 - 0,43), Co (0,30 - 0,90), Cr (4,9 - 14), Cu (1,7- 4,1), Mn (12 - 30), Ni (1,2 - 3,7), Pb (2,7 - 7,5) e Zn (1,8 - 8,6); Arenito 2 : Co (0,7- 2,0), Cr (5,6 - 19,8), Cu (1,7 - 3,1), Mn (10 - 28), Ni (1,9 - 4,0), Pb (1,7 - 4,4) e Zn (1,7 - 6,5); Arenito 3 Cd (0,10 - 0,23), Co (0,40 - 1,5), Cr (2,9 - 12), Cu (1,2 - 4,5), Mn (15 - 31), Ni (1,0 - 4,0), Pb (2,6 - 6,6) e Zn (2,1 - 7,3); Folhelho Cd (0,32 - 1,1), Co (0,92 - 1,7), Cr (37 - 63), Cu (3,6 - 7,2), Mn (27 - 39), Ni (4,4 - 9,3), Pb (3,2 - 11) e Zn (10 - 18). De um modo geral as concentrações obtidas variaram na seguinte ordem decrescente Barreiras> Folhelho> Arenito. Para propor valores de referência para solos com características similares aos analisados, foram selecionadas as áreas Barreira encosta e Arenito 3 e aplicou-se a correlação linear de Pearson e análise de componentes principais (PCA), para selecionar quais parâmetros (metais e atributos) contribuem de forma efetiva para a elaboração das equações do modelo estatístico. As concentrações das amostras foram estimadas de forma satisfatória com as equações elaboradas. Para os solos de Barreiras encosta apenas Co e Pb não apresentaram valores confiáveis de predição enquanto que para o Arenito 3, somente Ni não apresentou resultados confiáveis, devido ao seu baixo coeficiente de determinação.
Palavras-chaves: solos, preparo de amostras, ICP OES, valores de referência, Baía do
PINELLI, Milena Santos. Estimation of reference values for Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn in soils surrounding the Iguape Bay, Bahia, Brazil. 94 p. 2012. Dissertation (Master's degree in Chemistry) – Instituto de Química, Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2012.
ABSTRACT
The metals have natural origin as components of the rocks and this situation does not pose a risk to living beings. Currently there are few studies related to obtain reference values for natural concentrations of metals in soils from Brazil, which prevent the action supervisory agencies and some institutions monitor the environments that may have been contaminated by industries or other types of ventures. This work aimed to propose reference values for concentrations of the metals Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Mn, Ni and Zn in the soil surrounding the Bay of Iguape. The samples were digested in a microwave oven using the procedure of the Environmental Protection Agency EPA 3051A and for the determination of the analytes was employed optical emission spectrometry with inductively coupled plasma (ICP OES). The emission lines were selected in nm: Cd II 226.502; Co II 228.615 nm; Cr II 267.716; Cu Il 213.598; Mn II 257.610; Ni II 216.555; Pb II 220.353; e Zn I 213.857. Validation was performed by evaluating the limits of detection (LOD) and quantitation (LOQ), the linear range, precision, analysis of certified reference material and tests of addition and recovery. The validated procedure was applied to the soil characterization formed from sediment Barriers, Sandstone and Shale soils, in terms of concentrations of Cd, Co, Cu, Cr, Mn, Ni, Pb and Zn in the vicinity of the Bay of Iguape. The concentration ranges obtained in the studied areas were in mg kg-1: incline Barriers: Cd (0.57 - 1.7), Co (4.5 - 5.7), Cr (33 - 73), Cu (7.0 - 16), Mn (74 - 123), Ni (5.0 - 13), Pb (4.8 - 16) e Zn (12 - 30); plane Barriers: Cd (0.20 - 0.67), Co (1.3 - 2.2), Cr (23 - 48), Cu (3.2 - 4.8), Mn (46 - 56), Ni (4.2 - 12), Pb (2.5 - 8.3) e Zn (12 - 24); Sandstone 1: Cd (0,12 - 0,43), Co (0.30 - 0.90), Cr (4.9 - 14), Cu (1.7 - 4.1), Mn (12 - 30), Ni (1.2 - 3.7), Pb (2.7 - 7.5) e Zn (1.8 - 8.6); Sandstone 2: Co (0.7 - 2.0), Cr (5.6 - 19.8), Cu (1.7 - 3.1), Mn (10 - 28), Ni (1.9 - 4.0), Pb (1.7 - 4.4) e Zn (1.7 - 6.5); Sandstone 3 Cd (0.10 - 0.23), Co (0.40 - 1.5), Cr (2.9 - 12), Cu (1.2 - 4.5), Mn (15 - 31), Ni (1.0 - 4.0), Pb (2.6 - 6.6) e Zn (2.1 - 7.3); Shales: Cd (0.32 - 1.1), Co (0.92 - 1.7), Cr (37 - 63), Cu (3.6 - 7.2), Mn (27 - 39), Ni (4.4 - 9.3), Pb (3.2 - 11) e Zn (10 - 18). In general the concentrations obtained varied in the following descending order Barriers> Shale> Sandstone.To propose benchmarks for soils with characteristics similar to those examined, were selected two areas Barriers and Sandstone 3 and applied to linear correlation of Pearson and principal components analysis (PCA), to select which parameters (metals and attributes) contribute effectively to the formulation of the equations of the statistical model. The sample concentrations were estimated in a satisfactory manner with the equations worked out. For the soils of barriers just Co and Pb did not provide reliable values of prediction while for the sandstone 3, only Ni showed no reliable results due to its low coefficient of determination.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Camadas do solo. ... 3
Figura 2 Mapa da área de coleta. ... 19
Figura 3 Equipamento empregado para digestão das amostras ... 20
Figura 4 Equipamento empregado para centrifugar as amostras ... 20
Figura 5. Espectrômetro de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado empregado para determinação dos metais. ... 21
Figura 6. Secagem das amostras a temperatura ambiente. ... 22
Figura 7 Influência de Al e Fe para a linha de emissão Cd II 226,502 nm. ... 31
Figura 8 Influência de Fe para a linha de emissão Co ll 238,892 nm e Al e Fe para a linha de emissão Co II 228,615 nm. ... 32
Figura 9 Influência de Al e Fe para a linha de emissão Cr II 267,716 nm. ... 33
Figura 10 Influência de Al e Fe para a linha de emissão Cu II 213,598 nm. ... 34
Figura 11 Influência de Al e Fe para a linha de emissão Mn II 257,610 nm. ... 35
Figura 12 Influência de Al e Fe para a linha de emissão Ni II 216,555 nm. ... 36
Figura 13 Influência de Al e Fe para a linha de emissão Pb II 220,353 nm. ... 37
Figura 14 Influência de Al e Fe para a linha de emissão Zn I 213,857 nm. ... 38
Figura 15 Estudo da influência de Al e Fe para Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn ... 40
Figura 16 Perfil das concentrações do analitos em solos derivados dos sedimentos da Formação Barreiras, localizados na encosta. ... 46
Figura 17 Perfil das concentrações dos analitos em solos derivados dos sedimentos da Formação Barreiras, localizados no plano. ... 48
Figura 18 Perfil das concentrações dos analitos em solos derivados dos sedimentos do Grupo Arenito 1. ... 50
Figura 19 Perfil das concentrações dos analitos em solos derivados dos sedimentos do Grupo Arenito 2. ... 51
Figura 20 Perfil das concentrações dos analitos em solos derivados dos sedimentos do Grupo Arenito 3. ... 53
Figura 21 Perfil das concentrações dos analitos em solos derivados dos sedimentos do Grupo Folhelho. ... 54
Figura 22 Perfil da concentração para Cd nas camadas (A: 0 – 0,20 m) e (B: 0,80 – 1,00 m) nos diferentes tipos de solos. ... 58
Figura 23 Perfil da concentração para Co nas camadas (A: 0 – 0,20 m) e (B: 0,80 – 1,00 m) nos diferentes tipos de solos. ... 58
Figura 24 Perfil da concentração para Cr nas camadas (A: 0 – 0,20 m) e (B: 0,80 – 1,00 m) nos diferentes tipos de solos. ... 59
Figura 25 Perfil da concentração para Cu nas camadas (A: 0 – 0,20 m) e (B: 0,80 – 1,00 m) nos diferentes tipos de solos. ... 59 Figura 26 Perfil da concentração para Mn nas camadas (A: 0 – 0,20 m) e (B: 0,80 – 1,00 m) nos diferentes tipos de solos. ... 59 Figura 27 Perfil da concentração para Ni nas camadas (A: 0 – 0,20 m) e (B: 0,80 – 1,00 m) nos diferentes tipos de solos. ... 60 Figura 28 Perfil da concentração para Pb nas camadas (A: 0 – 0,20 m) e (B: 0,80 – 1,00 m) nos diferentes tipos de solos. ... 60 Figura 29 Perfil da concentração para Zn nas camadas (A: 0 – 0,20 m) e (B: 0,80 – 1,00 m) nos diferentes tipos de solos. ... 60 Figura 30 Gráfico de “scores” (PC1) versus (PC2) para as amostras das 6 áreas na camada A ... 63 Figura 31 Dendograma de classificação das 30 amostras para as 6 áreas investigadas na camada A. ... 63 Figura 32 Gráfico de “scores” (PC1) versus (PC2) para as amostras das 6 áreas na camada B ... 64 Figura 33 Dendograma de classificação das 30 amostras para as 6 áreas investigadas na camada B. ... 65 Figura 34 Gráfico de “loadings” (PC1) versus (PC2) das variáveis na camada A. ... 67 Figura 35 Gráfico de “loadings” (PC1) versus (PC2) das variáveis na camada B. ... 68
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores orientadores para solo no Estado de São Paulo (CETESB). ... 7
Tabela 2 Faixas de concentrações na camada A (0-0,20 m) para os metais em solos das diferentes regiões do Brasil. ... 8
Tabela 3 Métodos de digestão para amostras de solos e sedimentos. ... 16
Tabela 4 Identificação das sub-amostras por área amostrada. ... 19
Tabela 5 Programa de aquecimento para digestão das amostras no forno de micro-ondas com cavidade... 23
Tabela 6 Características do equipamento ICP OES empregado para determinação dos metais nas amostras de solos. ... 24
Tabela 7 Linhas de emissão estudadas em nm para Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn. ... 26
Tabela 8 Equação da reta e coeficiente de determinação para as curvas analíticas com e sem adição de Fe e Al. ... 39
Tabela 9 Valores obtidos para o LOD e LOQ em mg kg-1 com detecção por ICP OES ... 41
Tabela 10 Intervalo de confiança e recuperação dos metais em solos NIST CRM 2709a, através da digestão pelo método EPA 3051A. ... 42
Tabela 11 Teste de adição e recuperação para os diferentes tipos de solos, nível de concentração 0,1 mg L-1, amostra P5BR3. ... 43
Tabela 12 Teste de adição e recuperação para os diferentes tipos de solos, nível de concentração 1,0 mg L-1, amostra P5BR3. ... 43
Tabela 13 Comparação das concentrações dos metais na superfície e subsuperfície dos solos originados de sedimentos da Formação Barreiras do município Santiago do Iguape com solos de outros municípios do Recôncavo Baiano. ... 55
Tabela 14 Valores naturais e limite de tolerância propostos para cada metal nas camadas A e B das seis classes de solos estudadas. ... 56
Tabela 15 “Loadings” dos metais (PC1) versus (PC2) para camada A. ... 62
Tabela 16 “Loadings” dos metais (PC1) versus (PC2) para camada B. ... 64
Tabela 17 Contribuição de cada variável para as cinco primeiras PC’s na camada A... 67
Tabela 18 Contribuição de cada variável para as cinco primeiras PC’s na camada B... 68
Tabela 19 Correlação Linear de Pearson para metais e características físico-químicas da camada superficial (A) 0 – 0,20 m nos solos derivados dos sedimentos de Barreiras (A2). . 73
Tabela 20 Correlação Linear de Pearson para metais e características físico-química da camada subsuperficial (B) 0,80 – 1,00 m nos solos derivados dos sedimentos de Barreiras (A2). ... 74
Tabela 21 “Loadings” das variáveis das quatro primeiras PC’s na camada A. ... 75
Tabela 23 Variáveis selecionadas em cada camada para regressão múltipla segundo os resultados da PCA e correlação de Pearson. ... 76 Tabela 24 Equações para estimativa de concentração dos metais na camada A em solos com características similares aos coletados na área 2. ... 76 Tabela 25 Equações para estimativa de concentração dos metais na camada B em solos com características similares aos coletados na área 2. ... 76 Tabela 26 Comparação dos valores de concentração estimados pela reta de regressão e os valores determinados por ICP OES em amostras teste dos sedimentos Formação Barreiras (A2). ... 77 Tabela 27 Valores dos parâmetros físico-químicos utilizados na estimativa das concentrações dos metais das amostras testes (A2). ... 77 Tabela 28 Correlação Linear de Pearson para metais e características físico-química da camada subsuperficial (A) 0 – 0,20 m nos solos derivados dos sedimentos de Arenito 3 (A7). ... 80 Tabela 29 Correlação Linear de Pearson para metais e características físico-química da camada subsuperficial (B) 0,80 – 1,00 m nos solos derivados dos sedimentos de Arenito 3 (A7) ... 81 Tabela 30 “Loadings” das variáveis das quatro primeiras PC’s na camada A. ... 82 Tabela 31 “Loadings” das variáveis das quatro primeiras PC’s na camada B. ... 82 Tabela 32 Variáveis selecionadas em cada camada para regressão múltipla segundo os resultados da PCA e correlação de Pearson. ... 83 Tabela 33 Equações para estimativa de concentração dos metais na camada A em solos com características similares aos coletados na área 7. ... 83 Tabela 34 Equações para estimativa de concentração dos metais na camada B em solos com características similares aos coletados na área 7. ... 83 Tabela 35 Comparação dos valores de concentração estimados pela reta de regressão e os valores determinados por ICP OES em amostras teste do Grupo Arenito 3 (A7). ... 84 Tabela 36 Valores dos parâmetros físico-químicos utilizados na estimativa das concentrações dos metais das amostras testes (A7). ... 84
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AlPT Alumínio trocável
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
EBDA Empresa Baiana de desenvolvimento Agrícola
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
EPA do inglês US Environmental Protection Agency (Agência de Proteção
Ambiental)
CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
CRM Material de referência certificado
CTC Capacidade de troca catiônica
FAAS do Inglês Flame Atomic Absortion Spectrometry (Espectrometria de
Absorção Atômica com Chama)
GFAAS do Inglês Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry
(Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite)
HA Camada superficial A (0 – 0,20 m)
HB Camada subsuperficial B (0,80 – 1,00 m)
HCA do inglês hierarchical cluster analysis (Análise de agrupamento hierárquico)
H+Al Acidez total
ICP-MS do inglês Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (Espectrometria
de Massa com Plasma Indutivamente Acoplado)
ICP OES do inglês Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry
(Espectrometria de Emissão Óptica com Plasma Indutivamente Acoplado)
LOD do inglês Limit of Detection (Limite de Detecção)
LOQ do inglês Limit of Quantitation (Limite de Quantificação)
LT Limite de Tolerância
MO Matéria orgânica
nm Nanometro
PCA do inglês principal component analysis (Análise de componente principal)
PGAA do inglês Prompt Gamma-Ray Activation Analysis (Análise de ativação
excitação raio-gama)
RM Resposta Múltipla
RPM Rotação por Minuto
RSD do inglês Relative Standard Deviation (Desvio Padrão Relativo)
SB Soma de bases
SiBCS Sistema Brasileiro de Classificação de Solos
VI Valor de Intervenção
VP Valor de Prevenção
VR Valor de Referência
VRQ Valor de Referência de Qualidade
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 SOLO ... 1 1.1.1 Definição de solo ... 1 1.1.2 Classificação granulométrica ... 2 1.1.3 Divisões do solo ... 2 1.2 CONTAMINAÇÃO EM SOLO... 3
1.3 VALORES DE REFERÊNCIA DE QUALIDADE (VRQs) ... 5
1.4 CONCENTRAÇÃO DE METAIS EM SOLOS DO ENTORNO DA BAÍA DO IGUAPE ... 10
1.5 CARACTERÍSTICAS DAS ROCHAS QUE ORIGINARAM OS SOLOS EM ESTUDO ... 11
1.5.1 Formação Barreiras ... 12
1.5.2 Arenito ... 12
1.5.3 Folhelho ... 12
1.6 RELAÇÕES ENTRE A CONCENTRAÇÃO DOS METAIS E CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS ... 13
1.7 EMPREGO DAS TÉCNICAS ESPECTROMÉTRICAS PARA DETERMINAÇÃO DE METAIS EM SOLOS ... 13
1.8 MÉTODOS PARA PREPARO DE AMOSTRA DE SOLOS ... 14
1.9 OBJETIVO ... 17
1.9.1 Objetivo geral ... 17
1.9.2 Objetivos específicos ... 17
2 PARTE EXPERIMENTAL ... 18
2.1 REAGENTES E SOLUÇÕES ... 18
2.2 COLETA DAS AMOSTRAS ... 18
2.3 INSTRUMENTAÇÃO ... 20
2.3.1 Equipamento para digestão das amostras ... 20
2.3.2 Equipamento para centrifugação das amostras ... 20
2.3.3 Equipamentos para determinação dos analitos ... 21
2.4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ... 21
2.4.1 Pré-tratamento das amostras ... 21
2.4.2 Análises físico-químicas das amostras de solo ... 22
2.4.3 Procedimento para preparo das amostras ... 22
2.6 OTIMIZAÇÃO DO MÉTODO ... 25
2.6.1 Estudo da influência de Fe e Al na determinação de metais em amostras de solos ... 25
2.7 VALIDAÇÃO DO MÉTODO ... 26
2.7.1 Limite de detecção (LOD) e limite de quantificação (LOQ) ... 26
2.7.2 Exatidão ... 27
2.8 ANÁLISES ESTATÍSTICAS ... 27
2.8.1 Análise de correlação ... 27
2.8.2 Análise de componentes principais (PCA) ... 28
2.8.3 Análise de agrupamento hierárquico (HCA) ... 28
2.8.4 Regressão linear múltipla (MLR)... 28
3 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 29
3.1 OTIMIZAÇÃO DAS CONDIÇÕES INSTRUMENTAIS PARA DETERMINAÇÃO DOS METAIS ... 29
3.1.1 Estudo da Influência de Fe e Al na determinação de metais em amostras de solos ... 29
3.2 VALIDAÇÃO DO PROCEDIMENTO ... 41
3.2.1 Limite de detecção (LOD) e quantificação (LOQ) ... 41
3.2.2 Avaliação da exatidão do procedimento proposto ... 41
3.2.3 Resultados para Testes de Adição e Recuperação ... 42
3.3 CARACTERIZAÇÃO DAS AMOSTRAS DE SOLOS NO ENTORNO DA BAÍA DO IGUAPE ... 44
3.3.1 Concentração dos metais para amostras da área caracterizada como encosta em solos derivados de sedimentos da Formação Barreiras. ... 45
3.3.2 Concentração dos metais para amostras da área caracterizada como plana em solos derivados de sedimentos da Formação Barreiras ... 47
3.3.3 Concentração dos metais para amostras de solos derivados dos sedimentos do Grupo Arenito 1 ... 49
3.3.4 Concentração dos metais para amostras de solos derivados dos sedimentos do Grupo Arenito 2 ... 49
3.3.5 Concentração dos metais para amostras de solos derivados dos sedimentos do Grupo Arenito 3 ... 52
3.3.6 Concentração dos metais para amostras de solos derivados dos sedimentos do Grupo Folhelho ... 52
3.4 PERFIL DOS METAIS NOS SOLOS DERIVADOS DOS SEDIMENTOS DA FORMAÇÃO BARREIRAS, ARENITO E FOLHELHO, PARA AS DUAS CAMADAS ESTUDADAS ... 57
3.5 ESTUDOS ESTATÍSTICOS PARA OS METAIS E SEUS PARÂMETROS FÍSICO-QUÍMICOS NOS SOLOS DERIVADOS DOS SEDIMENTOS DA FORMAÇÂO BARREIRAS,
ARENITO E FOLHELHO ... 61
3.5.1 Análise de componentes principais (PCA) e agrupamento hierárquico (HCA) para os metais nos solos ... 61
3.5.2 Análise de componentes principais (PCA) e agrupamento hierárquico (HCA) para os metais e parâmetros físico-químicos nos solos ... 65
3.5.2.1 Camada superficial A (0 – 0,20 m) ... 65
3.5.2.2 Camada subsuperficial B (0,80 – 1,00 m) ... 66
3.6 ESTIMATIVA DAS CONCENTRAÇÕES DE METAIS EM SOLOS DA BAÍA DO IGUAPE COM O USO DE FUNÇÕES PREDITORAS ... 69
3.6.1 Análise de correlação de Pearson ... 69
3.6.2 Regressão linear múltipla... 70
3.6.3 Estimativa da concentração dos metais dos solos derivados dos sedimentos da Formação Barreiras, localizados na área de encosta (A2) ... 71
3.6.3.1 Correlação linear de Pearson para A2 ... 71
3.6.3.2 Análise de componentes principais (PCA) para metais e atributos para A2 ... 72
3.6.3.3 Regressão linear múltipla para A2 ... 72
3.6.4 Estimativa da concentração dos metais dos solos derivados dos sedimentos do Grupo Arenito (A7)... 77
3.6.4.1 Correlação linear de Pearson para A7 ... 77
3.6.4.2 Análise de componentes principais (PCA) dos metais e atributos para A7 ... 78
3.6.4.3 Regressão linear múltipla para A7 ... 79
4. CONCLUSÕES ... 85
REFERÊNCIAS ... 87
1 INTRODUÇÃO
1.1 SOLO
1.1.1 Definição de solo
O solo é uma coleção de corpos naturais, constituídos por partes sólidas, líquidas e gasosas, tridimensionais, dinâmicos, formados por materiais minerais e orgânicos que ocupam a maior parte do manto superficial das extensões continentais do nosso planeta, contém matéria viva e podem ser vegetados na natureza onde ocorrem e podem, eventualmente, terem sido modificados por interferências antrópicas (EMBRAPA, 2009, p. 4).Os principais constituintes do solo são substâncias minerais e orgânicas. A fase sólida mineral é constituída por minerais primários e secundários. O mineral primário faz parte da rocha, enquanto que o mineral secundário resulta da transformação do mineral primário por processos pedogenéticos, ou seja, adicionam ao solo materiais minerais e orgânicos (PADRO, 1996, p. 8).
Cada campo possui sua definição e aplicação própria para o solo. Na agricultura, o solo é a camada de terra manejável, geralmente de poucos metros de espessura que é utilizado como substrato para plantação de raízes das plantas. Na Geologia, solos são materiais localizados em camadas, não firmes, que vão desde a superfície até elevadas profundidades onde estão localizadas as rochas que lhe deram origem através dos processos de intemperismo e desintegração. Para a Engenharia Civil, o solo é considerado a matéria prima que pode ser utilizada em diferentes aplicações na área da construção civil (BRASIL, 2006).
Segundo ao Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (SiBCS), os solos atualmente são divididos em treze classes distintas. São elas: Argissolo, Cambissolo, Chernossolo, Espodossolo, Gleissolo, Latossolo, Luvissolo, Neossolo, Nitossolo, Organossolo, Planossolo, Plintossolo e Vertissolo. Cada uma dessas classes se diferencia de acordo com alguns atributos, químicos, físicos ou físico-químico presentes nos solo, tais como coloração, teor de minerais, granulometria, entre outros (EMBRAPA, 2009).
1.1.2 Classificação granulométrica
Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), o solo possui sua parte mineral dividida em frações de acordo com seu diâmetro equivalente, sendo que as principais frações granulométricas são areia, silte e argila. Os solos arenosos possuem tamanho de partícula que varia de 0,06 mm a 2 mm, dentro desta variação estão a areia fina, média e grossa. Os solos arenosos têm boa aeração e capacidade de infiltração de água, certas plantas e micro-organismos geralmente têm mais dificuldades em viver nesses tipos de solos, devido à pouca capacidade de retenção de água, além disso a areia apresenta menor quantidade de sítios de ligação e, assim, proporciona uma menor afinidade adsortiva com os metais (CARVALHO, 2009). Os solos siltosos ou Silte possuem diâmetro de partícula que varia de 0,002 mm à 0,06 mm, geralmente são muito erosíveis e não se agregam como as argilas, mas ao mesmo tempo suas partículas são muito pequenas e leves. Os solos argilosos possuem tamanho de partícula menor que 0,002 mm, são geralmente menos permeáveis que os demais solos (NBR 6502/95, da ABNT).
Dentre as frações que o solo é subdividido, a argila merece atenção especial, porque possui cargas elétricas, tamanho reduzido e, consequentemente, elevada superfície específica. Na fração argila, são encontrados os minerais secundários, destacando-se os minerais de argila e os óxidos e hidróxidos de Fe, Al e Ti (PADRO, 1996, p. 8). A presença desses minerais faz com que o solo seja uma matriz muito rica nos elementos Al e Fe, entre outros constituintes.
1.1.3 Divisões do solo
O solo é subdividido em horizontes ou camadas principais, que são seções de constituição mineral e orgânica, geralmente paralela à superfície do terreno, que possui propriedades geradas por processos formadores de solo. Essas subdivisões são designadas pelas letras O, A, E, B, C, R, (Figura 1), sendo as letras A, E e B classificadas como horizontes, a letra O como camada ou horizonte, dependendo da função da evolução pedogenética, e R é exclusivamente designada por camada (PADRO, 1996, p. 10). Esses horizontes apresentam espessuras distintas e podem apresentar cores diferentes entre eles. Geralmente o primeiro horizonte é mais escuro que os outros. A cor escura do primeiro horizonte vem da matéria orgânica
do solo, que é formada por resíduos de animais que morrem e plantas caem sobre ele e, que aos poucos vão sendo misturados com a parte mineral (EMBRAPA).
A maioria dos estudos com metais restringe-se à camada superficial do solo, que corresponde a (0 – 0,20 m). Entretanto é importante conhecer também o comportamento dos metais nas camadas mais profundas, em especial para a camada subsuperficial B (0,80 – 1,00 m) que apresenta atributos eletroquímicos diferentes daqueles encontrados no horizonte A (CARVALHO, 2009) (Figura 1).
Fonte: Domínio Público
Figura 1. Camadas do solo.
1.2 CONTAMINAÇÃO EM SOLO
O solo tem grande importância na vida de todos os seres vivos; é dele que se retira a maior parte das substâncias para alimentação diária da maioria dos indivíduos que habitam o ecossistema. Porém, o solo quando contaminado por metais ou outras espécies químicas ou biológicas, pode ocasionar diversos problemas ao ambiente e a saúde dos indivíduos. Desde a ingestão de alimentos pela população, oriundo de solo contaminado até a contaminação dos lençóis freáticos, este último problema além de contaminar rios pode ocasionar a mortandade de espécies que vivem nele causando um desequilíbrio na cadeia alimentar. Isso ocorre por que as formas reduzidas dos metais possuem maior
mobilidade, ou seja, ocorre aumento na possibilidade de lixiviação do metal no solo e contaminação do ambiente (ALLOWAY, 1990; SPARKS, 2003).
A presença de metais no solo pode ter origem natural ou antropogênica, sendo que essa última é a principal razão do aumento crescente na concentração de metais em solos agrícola. Os principais metais presentes no solo e nos produtos utilizados na agricultura são Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, e Zn (CARVALHO, 2009).
Os elementos Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Pb, Mn, Ni e Zn são constantemente determinados nos solos, pois suas concentrações no ambiente podem ser consideradas apropriadas para a fertilidade do solo, por serem componentes naturais dos minerais que compõe as rochas, mas também responsáveis pela poluição ambiental, quando são oriundos de fontes antrópicas como a urbanização, processos industriais, agropecuária entre outros, sendo que dessas fontes o acúmulo de metais nos solos são superiores quando comparado ao acúmulo por processos naturais. Os elementos Cu, Fe, Mn e Zn são essenciais, isto é indispensáveis aos sistemas biológicos; Co e Ni são elementos que contribuem para o desenvolvimento da planta, mas a ausência desses elementos no solo não é considerada um fator limitante. Os elementos Pb, Cr e Cd são considerados não essenciais e até mesmo tóxicos em concentrações a nível de traço. Os elementos essenciais podem também produzir efeitos tóxicos, quando são absorvidos em concentrações muito elevadas (CARVALHO, 2009).
A queima de carvão mineral e petróleo, utilizados como fontes de energia para as indústrias, promove a liberação de diversos metais (Hg, Pb, Cr, Zn, Tl, Ni, V, Cd) em forma de vapor ou adsorvido ao material particulado emitido na atmosfera (BIONDI, 2010).
Nas comunidades rurais, insumos agrícolas como pesticidas, calcários, fertilizantes minerais e orgânicos aparecem como as principais fontes de entrada de metais no solo. CAMPOS e colaboradores, (2005) constataram presença de Cd, Cu, Cr, Ni, Pb e Zn em fosfatos naturais e solúveis. Este insumo é indicado como a principal fonte de introdução de Cd pelas atividades antrópicas (ALLOWAY, 1990).
Ao contrário dos contaminantes orgânicos, a maioria dos metais não sofre degradação microbiana ou química, e, por isso, suas concentrações no solo persistem por um longo período após a entrada (GUO e colaboradores, 2006). A presença de teores elevados desses metais, mesmo os essenciais, pode causar
para muitos organismos vivos, efeito tóxico e surgimento de diversas doenças relacionadas, após o contato ou ingestão de alimentos oriundos de solos contaminados.
COTTA e coloboradores, (2006) relatam que a granulometria fina dos sedimentos normalmente encontrados nos solos é indicada para estudos de avaliação do grau de contaminação por metais tóxicos, devido a elevada superfície específica.
A crescente atividade antrópica em solos agrícolas e industriais pode vir acompanhada de diversos danos ao meio ambiente, desde a saúde da comunidade até as características naturais de determinadas regiões. Com isso, torna-se necessário a avaliação dos solos quanto a possíveis contaminações que venham impactar negativamente o ambiente. Este tipo de avaliação pode ser realizado através do monitoramento da qualidade do solo, comparando as concentrações de elementos contaminantes em solos de uma área de pouca ou nenhuma intervenção humana com aquela área com suspeita de contaminação, desde que as mesmas possuam características geológicas similares. Após a avaliação, se for comprovada algum tipo de irregularidade no ambiente, órgão ambientais fiscalizadores podem agir de forma preventiva quanto ao monitoramento de atividades produtivas a estabelecer critérios de qualidade para o sistema solo (FADIGAS e colaboradores 2002).
1.3 VALORES DE REFERÊNCIA DE QUALIDADE (VRQs)
Segundo a Resolução do CONAMA de No 420, de 28 de dezembro de 2009 os Valores Orientadores são definidos como as concentrações de substâncias químicas que fornecem orientação sobre a qualidade e as alterações do solo e da água subterrânea.
A legislação brasileira estabelece três Valores Orientadores: Valores de Referência de Qualidade (VRQs), de Prevenção (VP) e de Investigação (VI). O VRQ é a concentração de determinada substância que define a qualidade natural do solo, sendo determinado com base em interpretação estatística de análises físico-químicas de amostras de diversos tipos de solos; O VP é a concentração de valor
limite de determinada substância no solo, tal que ele seja capaz de sustentar as suas funções principais; por fim o VI é definido como a concentração de determinada substância no solo ou na água subterrânea acima da qual existem riscos potenciais, diretos ou indiretos, à saúde humana, considerando um cenário de exposição padronizado (CONAMA, 2009).
Os solos após analisados são considerados como não contaminados quando as concentrações de todos os metais presentes neles sejam iguais ou inferiores aos VRQs. Os procedimentos empregados para o estabelecimento dos VRQs são recomendados na resolução CONAMA (2009), Anexo I. Para as substâncias inorgânicas de ocorrência natural no solo, os procedimentos são estabelecidos a partir de interpretação estatística dos resultados analíticos obtidos em amostras coletadas nos principais tipos de solo do estado, conforme as etapas descritas a seguir. A primeira etapa refere-se a seleção dos tipos de solo em cada estado, com base na litologia, relevo e clima, de modo a se obter um conjunto de tipos de solo que representem os compartimentos geomorfológicos, pedológicos, geológicos mais representativos do estado. A segunda etapa está relacionada a seleção de parâmetros para caracterização do solo tais como: carbono orgânico, pH em água, capacidade de troca catiônica (CTC) e teores de argila, silte, areia e de óxidos de alumínio, ferro e manganês, seguindo as metodologias analíticas definidas pela EMBRAPA. A terceira etapa envolve a metodologia analítica empregada para a extração dos metais nas amostras utilizando os métodos da Agência de Proteção Ambiental US EPA 3050 ou US EPA 3051 ou suas atualizações. A quarta etapa refere-se a interpretação dos dados e obtenção dos VRQs. A quinta etapa consiste em compor a base de dados sobre qualidade de solos de um determinado estado.
Atualmente existem poucos estudos relacionados à obtenção de valores de referência para concentrações naturais de metais em solos do Brasil, como estes valores são utilizados para investigar áreas com suspeita de contaminação, através da comparação do valor de referência, com os teores de metais encontrados na área em análise. Isso impossibilita a ação dos órgãos fiscalizadores e algumas instituições em monitorarem os ambientes que podem ter sido contaminados por indústrias ou outros tipos de empreendimentos.
A Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB) definiu, em 2005, valores orientadores das concentrações de metais para solos e águas subterrâneas no Estado de São Paulo, Tabela 1.
Tabela 1. Valores orientadores para solo no Estado de São Paulo (CETESB). Metais Referência de qualidade Prevenção Intervenção Agrícola
APMax Residencial Industrial mg kg-1 Cádmio < 0,5 1,3 3 8 20 Chumbo 17 72 180 300 900 Cobalto 13 25 35 65 90 Cobre 35 60 200 400 600 Cromo 40 75 150 300 400 Níquel 13 30 70 100 130 Zinco 60 300 450 1000 2000 Fonte: CETESB (2005)
Porém, o uso dos valores de referência de outras regiões pode levar a avaliações inadequadas, devido às diferenças nas condições climáticas, pedológicas, etc, com isso existe a necessidade de desenvolvimento de valores de referência próprios e compatíveis com as características de cada tipo de solo ou para cada estado do Brasil.
Por esse motivo que vem crescendo o número de trabalhos que fazem esse tipo de monitoramento nos solos em algumas regiões do Brasil. A seguir serão resumidos resultados de alguns trabalhos relacionados a esse tipo de estudo em solos do Brasil. Na Tabela 2 estão apresentadas as faixas de concentrações encontradas para os metais nesses trabalhos.
Tabela 2. Faixas de concentrações na camada A (0-0,20 m) para os metais em solos das diferentes regiões do Brasil.
Métodos: (1) Água régia e (2) EPA 3051
Localização Tipos de solo
Faixa de concentração (mg k-1) Referências Cd Co Cr Cu Mn Ni Pb Zn Mato Grosso e Rondônia Latossolos e Argissolos - 7,2-38,9 (1) 20,4-142,1 (1) 6,5-32,9 (1) - 0,2-24,3 (1) 5,2-25,8 (1) 1,2-100,9 (1) Santos 2011 - 16,6-39,0 (2) 19,2-98,8 (2) 9,7-28,4 (2) - 0,0-5,6 (2) 2,7-15,7 (2) 0,0-69,6 (2) Pernambuco Argissolo, Espodossolo, Chernossolo, Latossolo, Argissolo, Gleissolo, Neossolo e Planossolo 0,32- 1,08 1,90- 6,02 27,14- 75,88 2,99- 9,25 115,85- 225,30 5,13- 6,79 8,21- 16,85 16,70- 30,76 Biondi 2010 Bahia Solos derivados dos sedimentos da Formação Barreiras - 3,7-15,8 12,8-72,2 2,5-19,4 87,4-290,4 3,0-28,3 6,8-36,9 12,9-58,7 Carvalho 2009
SANTOS, (2011) determinou os valores de referência para Co, Cr, Cu, Ni, Pb e Zn em solos de Mato Grosso e Rondônia, através da avaliação de dois métodos de extração de teores pseudo-totais dos metais, US EPA 3051 e água régia (HCl:HNO3 3:1). A comparação entre resultados obtidos pelos dois métodos revelou
diferença nas recuperações de Co, Ni e Pb, sendo que a utilização da água régia promoveu uma extração mais efetiva desses elementos. Os teores de metais determinados nos solos de Mato Grosso e Rondônia seguiram a seguinte ordem decrescente: Cr, Zn, Cu, Co, Pb, Ni e Cd (Água Régia) e Cr, Co, Cu, Pb, Zn, Ni e Cd (EPA 3051). Foram realizadas correlações entre os teores dos metais obtidos e atributos físicos e químicos analisados, e os resultados mostraram que os teores de óxidos de Fe e Mn foram as variáveis que mais correlacionaram com os metais. Foi realizada também uma comparação dos resultados obtidos nesse trabalho com resultados de outras regiões. A partir daí concluiu-se que as variações encontradas entre os teores de metais dos solos do mundo e de outros estados brasileiros reafirmam a necessidade da obtenção de valores de referência para cada local específico, devido as características geomorfológicas, pedológicas e geológicas de cada local. Outra observação foi que os teores naturais médios de metais encontrados para solos de Mato Grosso e Rondônia, foram mais baixos que os encontrados em referências nacionais e internacionais.
BIONDI, (2010) determinou os valores de referência Cr, Pb, Ba, Cd, As, Hg, Fe, Mn, Zn, Ni, Cu e Co, como base de referência de qualidade para os solos do Estado de Pernambuco. Segundo a autora, os resultados obtidos ajudarão no entendimento da relação entre classes de solos, processos pedogenéticos e distribuição de metais nos solos. Os resultados também podem ser utilizados para inferências sobre a possibilidade de deficiências de micronutrientes Fe, Mn, Zn, Cu e Ni naqueles solos. Os resultados encontrados para os teores de metais nos solos de seguiram a seguinte ordem decrescente: Fe, Mn, Ba, Cr, Zn, Pb, Cu, Ni, Co, Cd, As e Hg, sendo esta ordem, no geral, independente do horizonte estudado.
CARVALHO, (2009) determinou os teores pseudo-totais de Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Fe, Mn, Mo e Zn, em condições naturais, em solos derivados de sedimentos da formação de Barreiras em 4 municípios dos Tabuleiros Costeiros- BA, para geração de índices geoquímicos regionais, visando proporcionar ferramentas para a distinção entre a contribuição natural e a antrópica. As concentrações dos metais obtidas foram semelhantes nas duas profundidades estudadas, seguindo a seguinte
ordem crescente: em superfície: Mo < Cu ~ Co < Ni ~ Pb < Zn < Cr < Mn < Ti < Fe < Al; e em subsuperfície: Mo < Cu < Co< Pb < Ni < Zn < Cr < Mn < Ti < Fe < Al.Foi proposto valores de referência e limites de tolerância na avaliação da contaminação de sedimentos e elaboração de um modelo para obtenção dos teores naturais de Zn, Pb, Co e Cr em solos não analisados, a partir do conhecimento de características químicas, físicas e mineralógicas do solo. As funções de classificação obtidas com o uso da análise discriminante possibilita a alocação de novas amostras de solos dos Tabuleiros Costeiros nos grupos formados.
FADIGAS e colaboradores, (2002) caracterizaram diversos solos brasileiros, em condições naturais, para teores totais dos metais Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Zn e correlacionaram algumas propriedades do solo com a ocorrência desses elementos. Os autores utilizaram 162 amostras de solo, da soloteca da Embrapa Solos (RJ), correspondendo aos horizontes A e B de 81 perfis, das principais classes de solos brasileiros. As amostras de solo foram agrupadas por semelhança, utilizando como variáveis os conteúdos de argila, silte, Mn e Fe e CTC, sendo estas bem correlacionadas com os teores de metais. Os intervalos de concentração de Cd, Co, Cr, Cu, Ni, e Zn foram considerados como os teores que os solos de cada grupo têm, em condições naturais, e dão uma indicação para avaliar preliminarmente áreas com suspeita de poluição, cujos solos possuam características similares às deste estudo.
1.4 CONCENTRAÇÃO DE METAIS EM SOLOS DO ENTORNO DA BAÍA DO IGUAPE
A baía de Iguape é uma baía do Recôncavo Baiano, localizada no rio Paraguaçu. Esta área é considerada uma das mais conservadas da Baía de todos os Santos. As áreas próximas a Reserva Extrativista Marinha situada no distrito de Santiago do Iguape, por serem regiões de pouca intervenção humana, estão sendo utilizadas como áreas controle nos estudos de contaminação em solo para as demais regiões do Recôncavo Baiano.
Alguns municípios do Recôncavo Baiano estão unidos em torno do projeto de construção do novo Pólo Naval da Bahia, que será instalado nos municípios de Maragojipe e Saubara. Essa nova implantação pode ocasionar um aumento nos
teores naturais dos principais metais presentes no solo (tais como As, Cd, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, etc), e como esse aumento pode vir acompanhado de diversos danos ao ambiente, então é de extrema importância o monitoramento da qualidade do solo, a fim de prevenir a saúde da comunidade e as características naturais da região. O monitoramento pode ser realizado comparando as concentrações de metais em solos de áreas de pouca ou nenhuma intervenção humana com aquelas áreas com suspeita de contaminação. Esse tipo de estudo permite que órgãos ambientais fiscalizadores intervenham de forma preventiva, quanto a algum sinal de irregularidade durante o monitoramento de atividades produtivas, estabelecendo critérios de qualidade para o sistema solo.
Com base na problemática exposta, é interessante estabelecer os teores naturais de Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Mn, Ni, e Zn em solos do entorno da Baía do Iguape, para ajudar no monitoramento de solos da região sujeitos a algum tipo de impacto antrópico, a fim de subsidiar na fiscalização dos órgãos ambientais.
1.5 CARACTERÍSTICAS DAS ROCHAS QUE ORIGINARAM OS SOLOS EM ESTUDO
Os solos investigados localizados no Recôncavo Baiano e são derivados de sedimentos com base geológica local composta por Formação Barreiras (Terciário), Folhelho e Quartzarenitos do Cretáceo (Mesozóico). Segundo BRASIL (1981), devido à grande variação litológica da região, as condições de escoamento superficial estão mais na dependência do comportamento geoídrico das diferentes unidades litoestratigráficas (conjunto de rochas individualizadas e delimitadas com base nos seus caracteres litológicos) do que da própria atmosfera, uma vez que o abastecimento pluvial nessa região é abundante na maior parte do ano. Essa característica permite inferir que os sedimentos da região possuem características geológicas e mineralógicas distintas. Dessa forma, as amostras de solos foram coletadas em seis diferentes áreas do entorno da Baía do Iguape. Os solos dessas áreas foram classificados como sedimentos da Formação Barreira localizada na encosta e no plano, Folhelho e três tipos de sedimentos de Arenito.
1.5.1 Formação Barreiras
A Formação Barreiras corresponde a uma notável unidade sedimentar terrestre, de origem fluvial. Na Bacia Hidrográfica do Rio Paraguaçu esta unidade, datada do período Terciário, ocupa uma extensão descontínua de 1 413 km2. De modo geral, a Formação Barreiras é constituída por uma sedimentação clástica, consistindo de arenitos argilosos, de coloração vermelha, violeta, branca e amarelada, com incipiente estratificação plano-paralela. São frequentes intercalações de siltitos e argilas varicoloridas, bem como lentes conglomeráticas e caulínicas (BRASIL, 1981).
Quanto aos sedimentos da Formação Barreiras predominam os tipos latossolicos e argissolicos que foram classificados pela EMBRAPA (2006) como Latossolo Amarelo Distrocoeso, Latossolo Vermelho-Amarelo Distrofico, Argissolo Amarelo Distrocoeso e Argissolo Vermelho-Amarelo Distrofico (CARVALHO, 2009).
1.5.2 Arenito
Os arenitos são rochas sedimentares com granulometria de areia, cujos grãos são ligados entre si por um cimento. O tipo de cimento é que determina as propriedades de resistência, podendo ser silicoso, argiloso, calcífero, ferruginoso, etc. Formam-se em ambientes continentais a partir da compactação e litificação de acumulações de material erodido, transportado pelo vento e pelas águas superficiais. Uma característica visual importante nesse tipo de rocha é a coloração avermelhada na presença de grande quantidade de óxido de ferro (NBR 6502/95, da ABNT).
1.5.3 Folhelho
Os Folhelhos são rochas sedimentares detríticas, que apresentam fissilidade, sendo ricas em elementos de fração fina, como os siltes e argilas. As rochas sedimentares são resultantes da consolidação de sedimentos provenientes da desagregação e do transporte de rochas preexistentes, da precipitação química, além da ação biogênica (RABE, 2003).
1.6 RELAÇÕES ENTRE A CONCENTRAÇÃO DOS METAIS E CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS
De um modo geral os parâmetros químicos e físicos que mais influenciam na retenção e mobilidade dos metais nos solos são: teores de argila, silte, óxido de ferro, manganês, quantidade de matéria orgânica (MO), capacidade de troca de cátions (CTC), pH, entre outros. Na maioria dos estudos com solo, observam-se correlações positivas entre o teor de argila e Fe e os teores totais de metais. Alguns autores observaram correlações entre a concentração de metais nos solos e a fração silte, visto que nesta fração do solo podem ser encontradas partículas finas (argila) e óxidos, devido à ineficiência no processo de dispersão dos solos durante a análise granulométrica (FADIGAS e colaboradores 2006).
Outros constituintes dos solos bastante importantes são os óxidos e hidróxidos de Mn, que apesar da ocorrência rara em solos, são eficientes sorventes de metais em função de suas pequenas dimensões e alta superfície específica
(CARVALHO, 2009).
Os estudos de obtenção dos VRQs referentes aos teores de metais, bem como a avaliação das correlações entre os metais e características físico-química dos solos, envolvem interpretação de quantidades significativas de dados; com isso, os tratamentos estatísticos utilizando análise bi ou multivariada vem sendo empregados com boa frequência para interpretação dos resultados obtidos.
Os resultados analíticos referentes à relação dos metais e atributos químicos e físicos nos solos são normalmente avaliados através de análise de correlação de Pearson, análise por componentes principais (PCA), análise de agrupamento hierárquico (HCA), entre outras ferramentas estatísticas, de modo a correlacionar os atributos dos solos com as concentrações dos metais presentes no mesmo.
1.7 EMPREGO DAS TÉCNICAS ESPECTROMÉTRICAS PARA DETERMINAÇÃO DE METAIS EM SOLOS
As técnicas espectrométricas atômicas têm sido muito empregadas nas determinações de elementos em baixas concentrações. Entre elas pode-se citar a espectrometria de absorção atômica, a espectrometria de emissão óptica com
plasma indutivamente acoplado (ICP OES) e a espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS).
A técnica ICP OES, empregada neste trabalho, se baseia na excitação das espécies, átomos ou íons elementares, a altos estados eletrônicos. Esta espécie excitada retorna ao seu estado original num tempo médio de um nanosegundo e este fenômeno é acompanhado pela produção de linhas espectrais que serão usadas para determinação qualitativa e/ou quantitativa destas espécies. Essa técnica apresenta resultados analíticos comprovados para aproximadamente 70 elementos e pode ser utilizada na análise de elementos majoritários, minoritários e em nível de traço. A amostra, geralmente na forma líquida, é introduzida através de um dispositivo de nebulização e o aerossol formado é evaporado e dissociado em átomos livre e íons na fonte de plasma, sendo que energia adicional é fornecida para promover a excitação para altos estados de energia (GINÉ, 1999).
Na determinação das concentrações de elementos traço em solos, tais como Cd, Co, Cu, Cr, Mn, Ni, Pb e Zn, na presença dos elementos majoritários Al e Fe, por técnicas multielementares espectrométricas, como ICP OES, é necessário fazer uma avaliação preliminar para a escolha adequada das linhas de emissão, levando em conta a sensibilidade e ausência de interferências espectrais. A escolha inadequada pode resultar em valores de desvios muito altos ou resultados entre as replicatas com pouca coerência a depender da linha de emissão selecionada além de interferências espectrais, tais como superposição de linhas ou aumento da radiação de fundo, resultando na inabilidade do espectrômetro em resolver a linha espectral, alterando dessa forma, as concentrações dos elementos traços para valores superiores ou inferiores ao valor real nas amostras de solo (KORN e colaboradores, 2000).
1.8 MÉTODOS PARA PREPARO DE AMOSTRA DE SOLOS
De forma simplificada as principais etapas para se obter informações referentes à contaminação em solos consistem de: amostragem da região, pré-tratamento das amostras coletadas, preparo da amostra, determinação dos analitos e avaliação dos resultados. Geralmente, a etapa de preparo de amostra é uma das mais importantes e requer um maior tempo para ser concluída.
Os procedimentos de preparo de amostra consistem em tornar disponíveis os metais em solução para posterior quantificação, ou seja, extração dos analitos na amostra. Estes procedimentos variam, basicamente, de acordo com alguns parâmetros gerais, tais como: temperatura, pressão, formas de aquecimento (fonte de energia), tipos e quantidades de reagentes e tempo de operação (SANTOS, W. 2008).
Em matrizes complexas como é o caso de solo e sedimentos, para apresentar resultados representativos e coerentes, normalmente é necessário fazer a determinação multielementar e analisar um número significativo de amostras. Essas duas observações estão diretamente associadas a um longo tempo de análise. Assim, estão disponíveis na literatura diversos procedimentos cada vez mais eficientes e rápidos utilizados na determinação dos elementos de interesse em amostras de solo. As amostras podem ser digeridas por fusão ou digestão ácida sendo que a maioria dos trabalhos utiliza ácidos para digestão da matéria orgânica.
Existem diversos procedimentos para digestão ácida de amostras de solos, sendo que as mais utilizadas baseadas no aquecimento condutivo empregando placa de aquecimento ou bloco digestor e em forno de micro-ondas com radiação focalizada ou com cavidade. Os procedimentos empregando forno de micro-ondas com cavidade são mais recomendados, por se tratar de um sistema fechado e pressurizado, que minimiza o índice de contaminação, perda do analito ou até mesmo ineficiência na total digestão da matéria orgânica. Além disso, o controle da pressão e temperatura garante um melhor monitoramento durante a digestão e maior confiabilidade nos resultados (KRUG, 2010).
O aquecimento pela radiação micro-ondas envolve a absorção direta de energia pela amostra que está sendo aquecida, que resulta em um aumento considerável em sua temperatura, devido, principalmente, à interação da radiação eletromagnética com os íons dissolvidos no meio e com o solvente. Devido à influência dos dipolos das moléculas na absorção de micro-ondas é necessário conduzir a digestão das amostras em presença de ácidos ou misturas ácidas. (SORIANO, 2006).
A digestão de amostras em forno de micro-ondas com cavidade utilizando combinações ácidas é um procedimento de preparo que vem sendo bastante utilizado para decomposição de amostras de solos. Na Tabela 3 estão descritos de forma sucinta alguns trabalhos com procedimentos de preparo de amostra mais
utilizados para determinação de elementos essenciais e/ou contaminantes inorgânicos em amostras de solos e sedimentos.
Tabela 3. Métodos de digestão para amostras de solos e sedimentos. Matriz Analitos e técnica de determinação Métodos de digestão Recuperação (%) País Referências Solo Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, e Zn: (ICP-MS) Água régia: 2 mL de HNO3 + 6 mL de HCl (MW) CRM 142 e CRM 143: 91-110%
Etiópia MELAKU et.
al. (2005) CRM de solo e sedimentos Cd e Pb: (ICP-MS); Cu e Zn: (FAAS) 3 HCl: 1 HNO3: baixa carga orgânica (bloco digestor) e HNO3: alta carga
orgânica (MW)
- Espanha SASTRE et.
al. (2002)
CRM de solo: NIST (2704 2709 e 2711)
As, Cd, Pb: (GFAAS); Ag, Ba,
Be, , Cr, Cu, , Mn, Mo, Ni, Sb, Se, Zn: (ICP-MS); Hg: (CVAAS); Al, Ca, Fe, K, Mg e P: (ICP 61-E) EPA 3051a, 3051e 3052 (MW) e 3050 (placa de aquecimento) EPA 3052: 80 – 170% EPA 3051a: 80 – 106%
EUA CHEN et. al.
(1998)
CRM de solo: NIST (2709 e
2710)
Mo, Sb, Sn, Ti, Ag, Al, As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Se, Th, Tl, U, V, Zn, Ca, Fe, K, Mg
e Na: (ICP OES)
EPA 3051a (MW) CRM 2709: 78 - 120% CRM 2710: 75 - 113% USA CALDERON (2010) Solo As, Cd, Cr, Cu, Mo e Ni: (ICP-MS) Pb e Zn: (FAAS) Temperatura: 160 0 C; tempo 25 min.; potência: 750 W e volume de água régia: 13 mL. 90 – 101% CRM de solo: (GBW 07401 e CRM 2711)
Inglaterra OKORIE et. al. (2010) Sedimentos marinhos Cu, Ni e Pb: (FAAS) ISO 11466.3 (água régia) e EPA 3050B (HNO3, e H2O2 e HCl). EPA: (Cu=102, Ni=91 e Pb=100%) ISO: (Cu=98, Ni=103 e Pb=99%) Cuba PEÑA-ICART et. al. (2011) Sedimentos
Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn e V: (ICP OES) Água régia (3 ml HNO3 e 9 ml HCl) 82-113%, exceto Cd 28%
Sérvia RELI´C et. al. (2011) Sedimentos Ni, Cr, Pb, Cu; Cd: (GF AAS) e Mn, Fe e Zn: (FAAS) (HF 50%:HNO3 65% = 1:2) (MW) 90-100% Laramie, WY Itália BARTOLI et.al. (2012) Sedimentos marinhos
Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Ti, e Zn: (ICP OES) 1 mL HF + 4 mL HNO3 Forno de convecção simples 61% (Al) até 100% (Cd, Co, Pb) Marrocos BENOMAR et. al. (2012)
1.9 OBJETIVO
1.9.1 Objetivo geral
• Determinar os teores naturais dos metais Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn em diferentes tipos de solos do entorno da Baía do Iguape - BA.
1.9.2 Objetivos específicos
• Propor estratégias analíticas para determinação de Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Mn, Ni e Zn em amostras de solos por ICP OES.
• Investigar linhas de emissão dos analitos na presença de elementos majoritários, presentes em diferentes concentrações nas amostras de solos de forma a selecionar adequadamente este parâmetro nas determinações por ICP OES.
• Validar o procedimento proposto através da avaliação dos limites de detecção (LOD) e de quantificação (LOQ), a faixa linear de trabalho, adição e recuperação, exatidão e precisão.
• Aplicar o procedimento validado para caracterização dos solos derivados de sedimentos da Formação Barreiras, Arenito e Folhelho quanto às concentrações dos analitos Cd, Co, Cu, Cr, Mn, Ni, Pb e Zn no entorno da Baía de Iguape- BA.
• Propor Valores de referência (VR) e limites de tolerância (LT) para os teores dos metais Cd, Co, Cu, Cr, Mn, Ni, Pb e Zn nos solos das áreas em estudo.
• Elaborar um modelo estatístico para estimar teores naturais de Cd, Co, Cu, Cr, Ni, Pb e Zn em solos similares não analisados, a partir das suas características químicas, físicas e mineralógicas.
2 PARTE EXPERIMENTAL
2.1 REAGENTES E SOLUÇÕES
Para digestão das amostras foram utilizados os seguintes reagentes: ácido nítrico concentrado, HNO3 65% (m m-1) (Merck, Alemanha), purificado em destilador
de ácidos (Milestone, sub-boiling distilation), ácido clorídrico concentrado, HCl 37% (m m-1) (Merck, Alemanha) e água ultra-pura, com resistividade específica de 18,2 MΩ cm-1, de um sistema de purificação Milli-Q® (Millipore, Bedford, MA, USA).
Para determinação dos analitos foram preparadas soluções multielementares a partir de solução estoque 1000 mg L-1 (Chemis High Purity) de Cd, Co, Cu, Cr, Mn, Ni, Pb e Zn.
Para validação do método foi utilizado material de referência certificado NIST CRM 2709a (San Joaquin Soil).
2.2 COLETA DAS AMOSTRAS
A coleta das amostras de solos foi realizada por um grupo de pesquisadores do Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Federal do Recôncavo da Bahia.
Para avaliação das concentrações dos elementos Cd, Co, Cu, Cr, Mn, Ni, Pb e Zn, foram coletadas 190 amostras, em seis áreas pouco impactadas, próximo a reserva extrativista marinha situada no distrito de Santiago do Iguape-BA, sendo 30 amostras para cada área investigada e 10 amostras teste, totalizando 6 viagens para as coletas. Os solos coletados nas seis áreas eram derivados de sedimentos da Formação Barreiras, situadas em encosta e no plano, sedimentos do tipo Folhelho e sedimentos do tipo Arenito, classificados como Arenito 1, Arenito 2 e Arenito 3 (Figura 2).
A identificação das áreas foi feita da seguinte forma: P (ponto); A ou B (camadas) e R (repetição do ponto) (Tabela 4). Cada amostra foi coletada a uma distância de 10 m, com três repetições para cada ponto distando 10 cm um em relação ao outro, totalizando 5 pontos para as camadas A (0 à 0,20 m) e B (0,80 à 1,00 m) nas seis áreas investigadas.
Fonte: (FADIGAS, 2011)
Figura 2. Mapa da área de coleta.
Tabela 4. Identificação das sub-amostras por área amostrada.
Camada A Camada B P1AR1 P1BR1 P1AR2 P1BR2 P1AR3 P1BR3 P2AR1 P2BR1 P2AR2 P2BR2 P2AR3 P2BR3 P3AR1 P3BR1 P3AR2 P3BR2 P3AR3 P3BR3 P4AR1 P4BR1 P4AR2 P4BR2 P4AR3 P4BR3 P5AR1 P5BR1 P5AR2 P5BR2 P5AR3 P5BR3
2.3 INSTRUMENTAÇÃO
2.3.1 Equipamento para digestão das amostras
O equipamento empregado para a digestão por via úmida das amostras de solo foi o forno de micro-ondas com cavidade (Microwave Digestion Labstation - ETHOS EZ – Milestone), com capacidade para 10 tubos e com dispositivos para controle de temperatura e pressão.
(a) (b) (c)
Figura 3. Equipamento empregado para digestão das amostras: (a) Forno de micro-ondas com cavidade (b) Tubo de TMF (PTFE modificado) e (c) Camisa para proteção do tubo de teflon.
2.3.2 Equipamento para centrifugação das amostras
O equipamento empregado no procedimento de centrifugação das amostras foi uma centrífuga modelo Marconi MA- 1810 (Figura 4). O tempo de centrifugação empregado foi de 10 minutos e velocidade de rotação de 2500 RPM.
2.3.3 Equipamentos para determinação dos analitos
Para a determinação de Cd, Co, Cu, Cr, Mn, Ni, Pb e Zn foi empregado um espectrômetro de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado simultâneo com visão axial (Vista Pro Varian, Mulgrave, Austrália) (Figura 5).
Figura 5. Espectrômetro de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado empregado para determinação dos metais.
2.4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
2.4.1 Pré-tratamento das amostras
O procedimento de pré-tratamento foi realizado no Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da UFRB e seguiu o manual de laboratório da Embrapa (2005). Após coletadas, as amostras de solo foram armazenadas em sacos de polietileno, previamente descontaminados com ácido nítrico a 5%. O pré-tratamento constituiu das seguintes etapas: no laboratório, as amostras de solos foram espalhadas em superfície lisa e secas à temperatura ambiente ou em estufa não excedendo a 400C (Figura 6). A seguir as amostras foram quarteadas, sendo duas partes separadas para análises químicas e físico-químicas, uma parte para análise granulométrica e a outra estocada como contraprova.
Para análises físico-químicas, as amostras passaram por uma secagem em estufa em temperaturas de 105 0C, foram moídas em gral de porcelana e passadas em peneira de aço inox com 100 mesh, abertura 150 µm.
Figura 6. Secagem das amostras a temperatura ambiente.
2.4.2 Análises físico-químicas das amostras de solo
As análises químicas de fertilidade: fósforo remanescente (P), soma de bases (SB), acidez total (H+AI), capacidade de troca catiônica (CTC), alumínio trocável (AlPT), saturação por base (V%), carbono (C), matéria orgânica (MO) e pH, foram realizadas de acordo com os método propostos pela EMBRAPA (1997), no laboratório de solos da central de laboratórios da Empresa Baiana de desenvolvimento Agrícola (EBDA).
As análises físicas granulométricas (teores de silte, areia e argila), também seguiram os métodos propostos pela EMBRAPA (1997), essas foram realizadas pelo grupo de pesquisadores do Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Federal do Recôncavo da Bahia.
2.4.3 Procedimento para preparo das amostras
Uma combinação eficaz bastante utilizada para digestão de amostras de solos é a água régia, que é considerada um extrator moderado, sendo os resultados obtidos chamados de “pseudo-totais” ou “extraídos com água régia”. Essa nomeação é devido ao fato dos silicatos não serem destruídos com essa
