Marcadores Moleculares em Ambientes Marinhos

Vanessa Hatje 1

Tópicos

• Conceito • Usos de biomarcadores • Características de biomarcadores • Marcadores de processos naturais • Marcadores de processos antrópicos 2

O que são biomarcadores?

• Categoria de compostos que podem, em determinadas circunstâncias, fornecer informações sobre a origem de materiais orgânicos.

• Principal característica: estrutura química associada a uma fonte específica • Origem biológica ou antrópica • Vários biomarcadores: identificar fontes múltiplas de marcadores não específicos 3

Uso de biomarcadores

1960  Primeiras aplicações de biomarcadores Coprostanol: traçador de fezes humanas  1970 Pouco se sabia sobre a especificidade de fonte ou estabilidade em várias condições ambientais   Diferenciar hidrocarbonetos de origem biogênica e do petróleo Fonte, destino e efeitos do petróleo/óleo no ecossistema 1980   Detecção de compostos sintéticos (detergentes comerciais) Assinaturas de lipídios (microorganismos) Recentemente....

 Ampliação do uso de marcadores moleculares 4

Uso de biomarcadores

• Paleoclimatologia – Espécies dominantes e produtividade – Alquenonas: variação de temperatura • Petroquímica – Óleo e petróleo: rocha de origem – Maturidade – Processos que afetam a biodegradação, evaporação de compostos do petróleo • Química ambiental – Identificar fontes de contaminação – Dispersão de plumas de emissários submarinos – Rotas de transporte • Efeitos toxicológicos – Definição de biomarcador é um pouco diferente....como veremos – Inibição de atividade enzimática – Danos no DNA 5

Biomarcadores são carreadores de informação 1.

2.

3.

– Composição isotópica estável Composição isotópica e o fracionamento da matéria orgânica: fonte e/ou efeito diagenético 1.

Estrutura molecular: Isomeria plana: (HPAs, PCBs) 2.

Isomeria espacial (Estereoisomerismo) Composição de grupos co-genéticos: produção característica da série de homólogos – • • Indicador de fontes e processos U 37 K : paleo-termômetro de alquenona CPI: Índice de preferência de C 6

Características dos biomarcadores ideais: Especificidade de fonte: – Ligação direta e única entre fonte e o marcador. Ex: Coprostanol (humano versus mamíferos marinhos, aves e produção em sedimentos redutores) – Compostos sintetizados industrialmente. Ex: PCBs , HPAs, Ocs INDICADORES DE ATIVIDADES ANTÓPICAS 7

Características dos biomarcadores ideais: Comportamento conservativo: – Molécula refratária em escalas de tempo relevante – Processos físicos de transporte – Mudança de fase – Reações químicas, ataques bacterianos O comportamento conservativo não é estritamente necessário! Mas é preciso que se conheça o caminho biogeoquímico do marcador utilizado e que este reflita uma determinada fonte 8

Biomarcadores

1. Marcadores de processos naturais 2. Marcadores de atividades antrópicas 3. Marcadores de efeitos toxicológicos 9

1. Biomarcadores de processos naturais

Aminoácidos e Lipídios bacterianos: Desenvolvimento e evolução da fotossíntese e aerobiose  Processos chave no controle do ciclo do C e, portanto, manutenção da vida  Bactérias são os maiores contribuintes dos registros de biomarcadores do planeta Terra 10

Caminho

Clorofila- a

diagenético da Cl-a no ambiente aquático

Fitol Simoneit 2004 Pristano Oxidante Fitano Redutor 11

 Alteração de um precursor até o biomarcador pode ocorrer rapidamente, em regiões hidrotermais, ou lentamente, como em bacias sedimentares;  Biomarcadores são encontrados na forma líquida, sólida ou volátil  Caracterização da mistura de biomarcadores:  Extensão da atividade biológica contemporânea e as principais espécies contribuintes  Extensão da atividade biológica pretérita, as principais espécies que contribuíram, maturação geológica e alteração 12

Esteróis: grupos de organismos

• Fitoplâncton: – C 28 – Diatomáceas (C 27 = C 28 = C 29 ) • Zooplâncton: – C 27 • Plantas superiores: – C 29 Ambientes Mar aberto Lago Estuário Terrestre 13 Killops e Killops, 2005

Hidrocarbonetos: ambientes deposicionais

• Organismos se distribuem de acordo com as condições ambientais • Condições ambientais: influenciar as transformações marinho lacustre terrígeno Metil ciclohexano + tolueno (%) 14 Killops e Killops, 2005

Hidrocarbonetos: ambientes deposicionais

Ambiente Marinho • Sulfato da água • Atividade de bactérias sulfato redutoras 1A marinho (carbonato) 1B marinho + lacustre rico em sulfato 2 lacustre pobre em sulfato 3 marinho + lacustre 4 fluviais Pristano/fitano 15 Killops e Killops, 2005

Biomarcadores de processos naturais também podem ser usados como:

• Indicador de ambientes – Redox – Hipersalino • Maturidade de óleo/petróleo • Determinação de idade/datação • Paleotemperatura – Alquenonas abundantes em cocolitoforídeos que viveram a mais de 1milhão de anos atrás – Amplamente distribuídas e altamente resistentes a destruição diagenética – Encontrados em sedimentos do Eoceno 16

2. Biomarcadores de atividades antrópicas

Compostos sintéticos ou naturais

 Não são considerados contaminantes, mas sua presença está diretamente associada a atividade antrópica  Coprostanol, surfactantes sintéticos

Agentes contaminantes

 São conhecidamente tóxicos, persistentes no ambiente e essencialmente associados a atividade industrial  PCBs e HPAs 17

Do que depende o sucesso de aplicação de um biomarcador de atividades antrópicas?

  Específico a fonte de contaminação   Detergentes sintéticos, borracha de pneu Indicadores de atividade antrópica: derivados de fontes multiplas, por ex: HPAs, PCBs, silicones Ampla distribuição no ambiente  Produtos utilização massiva  Persistente ao ataque bacteriano Marcadores de atividade antrópica podem ser usados como: indicativo de fonte de contaminação, forma de transporte e destino e também oferecer informação geocronológica 18

Classificação dos marcadores de atividade antrópica

Tipo de Fonte Esgoto - natural Esgoto - antrópico Detergente sintético Fontes múltiplas Marcador hidrofóbico Esterol (coprostanol) Marcador solúvel em água urobilina LAB Silicones PCBs e HPAs Aminopropanona LAS 19

Esterol

• Esqueleto carbônico de 17 a 20 átomos de C, podendo apresentar grupos metílicos.

• Distinguir a matéria orgânica de origem marinha e continental • O coprostanol ( 5 (H) -colestan 3 -ol) – Esterol de origem fecal – Adultos humanos: média de 60% dos esteróis totais – Hidrogenação bacteriana do colesterol no intestino de animais superiores – Produção in situ: • Redução do colesterol de fezes de mamíferos marinhos • índices de coprostanol e de outros compostos como cetonas.

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Coprostanol

• Hidrofóbico  associado ao MS e sedimento • Gradiente de concentração a partir da fonte  a área de influência de emissários/esgotos define • Distribuição e intensidade dos lançamentos de esgoto e padrão de circulação 21 Carreira et al., 2004

22 Carreira et al., 2004

Níveis de coprostanol em sedimentos

Local Estuário Tamar, Inglaterra Barcelona, Espanha Lagoa de Veneza, Itália Baía de Tókio, Japão Porto de Hamilton, Canadá Estuário de Bilbao, Espanha Baía da Guanabara, Brasil Concentração (  g g -1 ) 0,80 - 17 1 - 390 0,2 - 41 0,02 - 0,24 0,11- 147 2,20 - 293 0,33 - 40 23 Carreira et al., 2004

Apesar do amplo uso do coprostanol, existe uma discussão sobre a sua especificidade de fonte

• Razão coprostanol/epicoprostanol • Razão colesterol/conc. total dos esteróis quantificados – Altos valores  – Baixos valores  fontes naturais (mamíferos e aves) fontes fecais • C/N 24

Alquil benzeno lineares (LAB)

• LABs com grupos de alquilas de cadeia normal C 10 -C 14 marcadores de esgotos domésticos são • Matéria prima do surfactante aniônico mais utilizado (LAS) • LAB é hidrofóbico – 90% partículas e 10% colóides – Traçador de esgoto doméstico – Fonte e rota de transporte de PCBs e HPAs – Isoméria: indica degradação microbiana – Coprostanol e prata Sulfonação Sulfonatos de alquil 25 benzeno (LAS)

LAB

• Baia de Tóquio (Chalaux et al., 1995) – Transporte e destino de efluentes brutos lançados em rios que alimentam a baía; – A distribuição espacial do LAB coincidiu com a distribuição do coprostanol e prata; • Lagoa dos Patos (Medeiros et al., 2005) – Origem de agentes contaminantes e rota de transporte – LAB foi observados nas proximidades de um efluente doméstico e nas proximidades da refinaria de petróleo. 26

Hidrocarbonetos

• Boa estabilidade química água e sedimento • Biomarcadores e indicadores de poluição por petróleo • Fonte natural: – Plantas terrestres, bactérias, algas e consumidores superiores • Fonte antrópica: – Combustão industrial, exaustão de veículos, drenagem urbana, efluentes industriais e domésticos, atividades náuticas, derramamento de óleo Parte dos hidrocarbonetos sofre degradação e remoção, mas parte deles pode ficar nos sedimentos por muitos anos 27

Hidrocarbonetos

Hidrocarbonetos alifáticos n-alcanos: hidrocarbonetos saturados de cadeia linear   Fito e algas bentônicas marinhas: n-C 15 e n-C 17 Origem fóssil: composição variada conforme sua fonte específica, apresentando de 1 a 40 átomos de C  Índice de Preferência de Carbono (CPI): estimar a contribuição de diferentes fontes CPI = 1 C 25 + C 27 + C 29 + C 31 + C 33 + C 25 + C 27 + C 29 + C 31 + C 33 2 C 24 + C 26 + C 28 + C 30 + C 32 C 26 + C 28 + C 30 + C 32 + C 34 4 < CPI < 7: biogênico (terrestre ou oceânico) CPI ~1: contaminação petrogênica 28

Hidrocarbonetos

Hidrocarbonetos alifáticos  Alcanos isoprenóides: cadeia ramificada com  estrutura molecular derivada do isopreno alceno ramificado com 5 átomos de C, um dos blocos de construção favoritos da natureza    Pristano e fitano Origem de hidrocarbonetos no ambiente marinho Degradação do fitol 29

Hidrocarbonetos

Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs) – Origem natural: sintetizados por bactérias, fungos e plantas isso raramente ocorre – • • Origem antrópica: efluentes, derramamentos, combustão Origem petrogênica: dois ou três ciclos aromáticos, sendo comum a presença de homólogos alquilados e compostos contento O e S. Petróleo bruto: naftaleno e seus derivados alquilados Origem pirolítica: mais de três ciclos aromáticos, baixo grau de alquilação. Fluoranteno, pireno, benzo(a)antraceno, criseno, benzofluorantenos 30

• Derramamento de óleo da Exxon Valdez (1989): – Hidrocarbonetos (terpenos, esteranos) foram utilizados com sucesso para discernir entre fonte de óleo – Terpenos e esteranos tem ótima estabilidade, enquanto os n alcanos e isoprenóides desapareceram – Efeito de substâncias tóxicas persistentes continuam – Concentrações a nível sub letal (Petterson et al., 2003) 31

• Estreito de Malacca, Malásia: – C 31 -C 35 homo-hopanos e 17  , 21  (H)C 29 nor hopano Oriente médio Sudoeste asiático 32 Zakaria et al., 2000

Bibliografia

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• P. Medeiros, M.C. Bicego, R.M. Castelao, C. del Rosso, G. Fillmann, A.J. Zamboni (2005). Natural and anthropogenic hydrocarbon inputs to sediments of Patos Lagoon Estuary, Brazil. Environment International 31, 77-87.

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