Apports

O caminho menos subjetivo para investigar as fontes dos HPA, pode ser realizado usando indicadores moleculares baseado em razões de concentrações de HPA selecionado (Yunker et al., 1993; Budzinski et al., 1997).

O uso de razões de HPA para indicar fontes requer compreensão (Yunker et al., 2002):

I. das características das diferentes fontes;

II. da estabilidade termodinâmica dos diferentes HPA parentais, e III.das mudanças na composição dos HPA entre fonte e sedimento.

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I. _{O padrão molecular gerado por cada fonte é como uma impressão digital que} possibilita a identificação dos processos gerados de HPA quando se estuda a distribuição destes compostos em sedimentos. A presença de HPA parentais com massa molecular elevada está associada com fontes pirolíticas, enquanto que a presença de HPA alquilados com baixa massa molecular está relacionada com fontes petrogênicas (Fernandes et al., 1997; Lee; Hsieh; Fang, 2005; Liu et al., 2008; Yan et al., 2009). Por exemplo, uma série homóloga de HPA parental e alquilados com maiores concentrações dos compostos alquilados em relação ao parental, sugere a presença predominante de aportes petrogênicos (Wang; Fingas; Page, 1999). Enquanto, uma série homóloga de HPA parental e alquilados com maior abundância do composto parental indica a predominância de produtos de combustão (Stout et al., 2002).

II. _{A discriminação de fontes dos diferentes HPA parentais baseia-se na} avaliação da estabilidade termodinâmica destes compostos. A formação do HPA pode ocorrer numa ampla faixa de temperatura. A estabilidade termodinâmica é alcançada durante a maturação térmica gradual, em temperaturas relativamente baixas. O oposto desse processo está relacionado com reações rápidas e altas temperaturas. Deste modo, isômeros termodinamicamente menos estáveis (chamados isômeros cinéticos) são produzidos (Pietzsch; Patchineelam; Torres, 2010). HPA pirolíticos apresentam maior proporção de isômeros cinéticos (menos estáveis termodinamicamente). HPA mais estáveis são formados durante o processo catagênico de formação do petróleo.

A avaliação da estabilidade termodinâmica dos HPA é feita através do calor de formação dos compostos isômeros em questão. Calcula-se a diferença do calor de formação (Hf) entre dois compostos, sempre em relação ao isômero mais estável. Quanto maior a diferença de calor de formação entre dois isômeros, isto é, quanto maior a faixa de variação em estabilidade entre eles, maior a capacidade de discriminação de fontes de razão diagnóstica que utiliza dois isômeros (Yunker et al., 2002). Com base neste critério de estabilidade termodinâmica, podemos classificar os isômeros como representantes dos aportes petrogênicos e pirolíticos (Tabela 3.6).

HPA de massa molecular 178 e 202 são comumente usados para distinguir entre fontes de combustão e petróleo. Considerando os isômeros de peso molecular 178, fenantreno é mais estável do que antraceno e a diferença de calor de formação entre estes dois isômeros é 5,48 Kcal/mol. Dos isômeros de peso molecular 202, fluoranteno é menos estável do que pireno e a diferença de calor de formação entre estes dois

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isômeros é 20,58 Kcal/mol (Budzinski et al., 1997; Yunker et al., 2002). Espera-se, portanto, que as razões diagnósticas que utilizam esses compostos venham a apresentar habilidade de discriminação entre os HPA de origem petrogênica e pirolítica.

Tabela 3.6. Discriminação de aportes petrogênicos e pirolíticos em relação às relativas estabilidades termodinâmicas de alguns isômeros (adaptado de Meniconi, 2007).

Massa 178 Hf (Kcal/mol) 202 Hf (Kcal/mol) Isômero Termodinâmico (mais estável) Aporte Petrogênico Fenantreno 0 Pireno 0 Isômero Cinético (menos estável) Aporte Pirolítico Antraceno 5,48 Fluoranteno 20,58

III. Os HPA, uma vez no ambiente, estão submetidos a fatores físicos, químicos e biológicos, envolvendo uma combinação de processos como evaporação, dissolução, biodegradação e foto-oxidação dos compostos, processos esses conhecidos como intemperismo (Page et al., 1995; Wang; Fingas; Page, 1999; Stout et al., 2002). Esses processos provocam mudanças significativas na composição dos HPA que tem suas características alteradas. Estas modificações estariam relacionadas à estabilidade relativa dos diferentes compostos isômeros e às diferentes fontes de HPA.

O comportamento dos HPA de baixa e alta massa molecular é influenciado pelas mudanças causadas pela degradação intempérica. Estas mudanças são mais efetivas sobre os compostos aromáticos de baixa massa molecular, por exemplo, o pronunciado decréscimo dos naftalenos relativo às outras séries de HPA alquilados e o desenvolvimento de um perfil de cada família de HPA alquilada apresentando a seguinte distribuição: C0 < C1< C2 < C3 < C4 (Wang & Fingas, 2003).

A dificuldade em identificar as origens de HPA, é a possível coexistência de muitas fontes de contaminação e os processos de transformação que os HPA podem sofrer antes de serem depositados nos sedimentos analisados (Soclo; Garrigues; Ewald, 2000).

Algumas razões diagnósticas com suas faixas limítrofes de identificação de fontes estão listadas na Tabela 3.7.

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Tabela 3.7. Razões diagnósticas com suas faixas limítrofes de identificação de fontes.

Razão Faixa limítrofe Classificação de Fonte Referência HPA parentais Fe/An >10 <10 Petrogênica Pirolítica

Budzinski et. al., 1997 Baumard et. al., 1998

Fl/Pi <1

>1

Petrogênica

Pirolítica Sicre et. al., 1987

An/(An+Fe) <0,1

>0,1

Petrogênica

Pirolítica Yunker et. al., 2002

Fl/(Fl+Pi) <0,4 Entre 0,4 e 0,5 >0,5 Petrogênica Combustão de petróleo Combustão de carvão, madeira, vegetação

Yunker et. al., 2002

BaAn/(BaAn+C) <0,2

>0,35

Petrogênica

Pirolítica Yunker et. al., 2002 IPi/(IPi+BPe) <0,2 >0,2 e <0,5 >0,5 Petrogênica Combustão de petróleo Combustão de carvão

Yunker et. al., 2002 HPA alquilados

Fe+An/(Fe+An+C1Fe) <0,5

>0,5

Petrogênica ou Pirolítica

Pirolítica Yunker et. al., 2002 (outros HPA 3-6 anéis)*/

(5 séries HPA alquilados)**

<0,05 >0,50 Petrogênica Pirolítica Wang; Fingas; Page, 1999

MFe/Fe 2-6_<1 Petrogênica_Pirolítica

Budzinski et. al., 1997 Pereira et. al., 1999 Zakaria et. al., 2002 ∑2-3 anéis/∑4-6 anéis >1_<1 Petrogênica_Pirolítica Yuan et. al., 2001Soclo et. al., 2000

Wang et. al., 2006

Abreviações:

Fe/An: Fenantreno/Antraceno; Fl/Pi: Fluoranteno/Pireno; An/(An+Fe): Antraceno/Antraceno + Fenantreno; Fl/(Fl+Pi): Fluoranteno/Fluoranteno+Pireno; BaAn/(BaAn+C): Benzo(a)Antraceno/ Benzo(a)Antraceno+Criseno; IPi/(IPi+BPe): Ideno(1,2,3-cd)Pireno/ Ideno(1,2,3-cd)Pireno + Benzo(ghi)Perileno; Fe+An/(Fe+An+C1Fe): Fenantreno+Antraceno/(Fenantreno+Antraceno + C1fenantreno); MFe/Fe: MetilFenantreno/Fenantreno; 2-3 anéis/4-6 anéis: HPA de baixo peso molecular/HPA de alto peso molecular; (outros HPA 3-6 anéis)/(5 séries HPA alquilados): (todos os HPA analisados menos as 5 séries de HPA alquilados)/(naftalenos, fluorenos, dibenzotiofenos, fenantrenos e crisenos).

Capítulo IV

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4. Materiais e Métodos

Para reproduzir o sistema estudado de forma a permitir a determinação da concentração, fonte e distribuição dos hidrocarbonetos aromáticos nos sedimentos de fundo do estuário do rio Potengi, teve seguimento os procedimentos de amostragem, a localização das estações de coleta das amostras, o tratamento das amostras e os procedimentos analíticos realizados.

As etapas principais do procedimento experimental e analítico são apresentadas na Figura 4.1. As amostras de sedimentos, após a coleta, foram analisadas por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas para determinação de HPA individuais. Em seguida foram testadas técnicas de diferenciação de fontes de hidrocarbonetos incluindo a avaliação de distribuição das séries de HPA e as razões diagnósticas.

Figura 4.1. Fluxograma do procedimento experimental e analítico do estudo de diferenciação de fontes de HPA em sedimentos de fundo do estuário do rio Potengi.

4.1. Amostragem

A etapa de amostragem aconteceu nos dias 19, 20 e 21 de junho e 19 de julho de 2007, sendo realizada no período diurno, onde foram coletadas amostras de sedimentos de fundo em cada uma das estações. A coleta foi feita com o auxílio de um bote a motor cedido pela Marinha do Brasil e pertencente ao Navio Comandante Manhãs.

As amostras foram coletadas nos 12 km finais do estuário até a sua foz, onde a urbanização da Grande Natal é mais concentrada. A amostragem foi realizada em 12 seções transversais, identificadas de S1 a S12, com três estações em cada uma,

AMOSTRAGEM 36 ESTAÇÕES 2007 DETERMINAÇÃO DE 29 HPA POR CG-EM DISTRIBUIÇÃO RAZÕES DIAGNÓSTICAS DIFERENCIAÇÃO DE FONTES

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totalizando 36 amostras, identificadas de T1 a T36. O Anexo A apresenta as coordenadas geográficas das 36 estações de amostragem.

Em cada seção, as estações foram posicionadas próximas da margem direita (T1, T4, T7, T10, T13, T16, T19, T22, T25, T28, T31, T34) e esquerda (T3, T6, T9, T12, T15, T18, T21, T24, T27, T30, T33, T36), respectivamente primeira e terceira, enquanto que a segunda estação situa-se na parte mais profunda do canal do estuário (T2, T5, T8, T11, T14, T17, T20, T23, T26, T29, T32, T35). A Figura 4.2 mostra as posições geográficas dos 36 pontos de amostragem no estuário do rio Potengi para o presente estudo. Para identificar a parte mais profunda do canal do estuário usou-se a Figura 4.3, em que é possível observar a batimetria da área em estudo. A profundidade da lâmina d’água nessas estações variou de 0,3 m (estações T34 e T36) até 14,2 m (estação T7), como pode ser observado na Tabela 4.1 que fornece dados da amostragem. As seções vizinhas não ultrapassaram 1500 metros de distância entre elas, sendo essa distância geralmente menor que 1000 metros.

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Figura. 4.3. Determinação da batimetria do estuário do rio Potengi. (Fonte: IDEMA, 2004; Frazão, 2003 (modificado))

Tabela 4.1. Dados de campo para a amostragem de sedimento de fundo no estuário Potengi/RN.

Seções Estações Data da coleta Hora da coleta Profundidade

(metro) S1 T1 19/06/2007 08:40 3,3 T2 19/06/2007 09:30 11,0 T3 19/06/2007 10:17 1,8 S2 T4 20/06/2007 08:27 4,7 T5 19/06/2007 11:45 11,2 T6 19/06/2007 11:20 2,5 S3 T7 20/06/2007 09:02 14,2 T8 20/06/2007 10:07 12,6 T9 20/06/2007 11:04 1,8 S4 T10 20/06/2007 11:35 7,0 T11 20/06/2007 12:14 12,0 T12 20/06/2007 12:38 2,8 S5 T13 20/06/2007 16:40 1,9 T14 20/06/2007 16:15 8,2 T15 20/06/2007 15:55 2,0 S6 T16 19/06/2007 15:25 7,8 T17 19/06/2007 16:09 6,2 T18 20/06/2007 15:15 2,5

Capítulo IV – Materiais e Métodos Dissertação de Mestrado PPGCEP - UFRN S7 T19 19/06/2007 08:25 7,8 T20 21/06/2007 09:16 10,0 T21 21/06/2007 10:00 3,5 S8 T22 21/06/2007 11:15 3,1 T23 21/06/2007 10:50 8,0 T24 21/06/2007 10:30 1,5 S9 T25 21/06/2007 13:49 4,5 T26 21/06/2007 15:09 6,0 T27 21/06/2007 14:40 0,5 S10 T28 19/07/2007 10:04 4,6 T29 19/07/2007 10:26 8,2 T30 19/07/2007 10:45 0,5 S11 T31 19/07/2007 11:11 8,7 T32 19/07/2007 11:35 8,0 T33 19/07/2007 12:04 0,8 S12 T34 19/07/2007 13:03 0,3 T35 19/07/2007 13:34 5,8 T36 19/07/2007 13:15 0,3

A coleta e a preservação das amostras foram realizadas de modo a manter a integridade do material coletado, conforme descrição a seguir.

As amostras de sedimentos superficiais do fundo do estuário foram obtidas com amostrador do tipo van Veen de aço inoxidável (Figura 4.4A) e em seguida acondicionados devidamente em recipientes de vidro com volume de 200 mL (Figura 4.4B) previamente limpos e descontaminados. A seguir, as amostras foram identificadas e imediatamente colocadas sob refrigeração (~4ºC) (Figura 4.4C) até o momento das análises laboratoriais.

De uma estação para outra, os equipamentos de coleta (amostrador, bandeja, colher e espátula) eram lavados com a própria água corrente do estuário, a seguir secados com papel toalha e depois esfregados com hexano (Figura 4.4D).

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Figura 4.4. Realização da amostragem. (A) Amostrador van Veen utilizado na coleta das amostras de sedimento. (B) Acondicionamento do sedimento em bandeja de aço inox e transferido em seguida para recipientes de vidro. (C) Identificação e refrigeração das amostras. (D) Equipamentos de coleta eram lavados e após esfregados com hexano.

4.2. Procedimentos laboratoriais

Nas amostras de sedimentos coletadas no estuário do rio Potengi, foram determinados 29 HPA individuais com dois a seis anéis aromáticos, sendo parentais e alquilados. Dentre eles (Tabela 4.2) encontram-se os 16 HPA parentais prioritários segundo a agência de proteção ambiental americana USEPA (naftaleno, acenaftileno, acenafteno, fluoreno, fenantreno, antraceno, fluoranteno, pireno, benzo(a)antraceno, criseno, benzo(b)fluoranteno, benzo(k)fluoranteno, benzo(a)pireno, ideno(1,2,3- cd)pireno, dibenzo(a,h)antraceno, benzo(ghi)perileno) incluindo também o perileno. As séries alquiladas dos HPA (C1 a C4 naftalenos, C1 e C2 fluorenos, C1 a C4 fenantrenos e C1 e C2 crisenos) também foram determinadas por se tratarem de compostos relevantes na identificação de origem dos hidrocarbonetos.

(A) (B)

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Tabela 4.2. Lista dos 29 HPA analisados neste estudo: 16 prioritários (parentais e alquilados) mais o perileno, suas abreviações e o respectivo limite de detecção (LD) do método analítico utilizado.

Sigla HPA LD (ng g-1) Sigla HPA LD (ng g-1) N Naftaleno 20 An Antraceno ₂₀ C1N C1Naftaleno ₂₀ Fl Fluoranteno ₂₀ C2N C2Naftaleno ₂₀ Pi Pireno ₂₀

C3N C3Naftaleno ₂₀ BaAn Benzo(a)Antraceno ₂₀

C4N C4Naftaleno ₂₀ C Criseno ₂₀

Acl Acenaftileno ₂₀ C1C C1Criseno ₂₀

Ace Acenafteno ₂₀ C2C C2Criseno ₂₀

F Fluoreno ₂₀ BbFl Benzo(b)Fluoranteno ₂₀

C1F C1Fluoreno ₂₀ BkFl Benzo(k)Fluoranteno ₂₀

C2F C2Fluoreno ₂₀ BaPi Benzo(a)Pireno ₂₀

Fe Fenantreno ₂₀ Pe Perileno ₂₀

C1Fe C1Fenantreno ₂₀ IPi Ideno(1,2,3-cd)Pireno ₂₀ C2Fe C2Fenantreno ₂₀ DBAn Dibenzo(a,h)Antraceno ₂₀ C3Fe C3Fenantreno ₂₀ BPe Benzo(ghi)Perileno ₂₀ C4Fe C4Fenantreno ₂₀

As análises foram realizadas no laboratório comercial BIOAGRI acreditado pelo INMETRO. Os parâmetros analisados foram selecionados de acordo com a sistemática amplamente vigente para a interpretação de fontes de hidrocarbonetos poliaromáticos no meio ambiente e também da sua evolução intempérica, como será visto ao longo dos procedimentos interpretativos utilizados no presente estudo. Por isso, outros hidrocarbonetos que poderiam ser quantificados pela metodologia analítica utilizada não foram determinados, uma vez que não há interesse na detecção deles para fins ambientais. A seguir estão descritos os procedimentos aplicados às amostras para a identificação e quantificação dos hidrocarbonetos de interesse.

4.2.1. Extração da amostra

As amostras foram extraídas segundo o Método 3540 C, da série EPA SW-846. As amostras foram descongeladas, homogeneizadas e uma alíquota de 10 g foi misturada com sulfato de sódio anidro (1:4; massa/massa). A extração foi realizada em um sistema Soxhlet por 16 horas com 200 mL de CH2Cl2(diclorometano). A seguir

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naftaleno, d10-acenafteno, d10-fenantreno, d12-criseno e d12-perileno, para a análise de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA). Em seguida, o volume do extrato bruto foi reduzido em evaporador Turbo Vap até 1 mL.