Minicurso 1 - Métodos químicos e espectroscopia para a caracterização da matéria orgânica do solo. Dra. Larissa Macedo dos Santos

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1 Minicurso 1 - Métodos químicos e espectroscopia para a caracterização da matéria orgânica do solo. Dra. Larissa Macedo dos Santos

2 Minicurso 1 - Métodos químicos e espectroscopia para a caracterização da matéria orgânica do solo. INTRODUÇÃO: Solo (Definição, Composição) Matéria Orgânica (Importância, Definição, Composição,...) Humificação CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA (QUANTIFICAÇÃO): Metodologias: gravimetria por incineração em mufla, termogravimetria, cromatografia, oxidação por via seca e oxidação por via úmida. CARACTERIZAÇÃO ESPECTROSCÓPICA: Técnicas: absorção de luz UV-Visível, ressonância paramagnética eletrônica; ressonância magnética nuclear, infravermelho com transformada de Fourier, fluorescência de luz UV-Visível, fluorescência induzida por laser, LIBS, absorção e emissão atômica.

3 SOLO Agronomia Biologia Geologia Química Engenharia Civil Solo: material inconsolidado, que recobre a superfície terrestre; constituídos de três fases: sólida (minerais e matéria orgânica), líquida (solução do solo) e gasosa (ar).

4 LEPSCH, I. F. Formação e conservação de solos. Oficina de Textos. São Paulo SP, p.

5 CTC Complexação de metais Acidez do solo Estrutura do solo Retenção de água Fonte de energia para microorganismos Atividade enzimática...

6 Mistura de compostos em vários estágios de decomposição, que resultam da degradação biológica de resíduos de plantas e animais, e da atividade sintética de microrganismos. STEVENSON, F. J. Humus Chemistry: genesis, composition, reactions. 2. ed. New York: John Wiley, p.

7 Fracionamento Químico da MOS Matéria Orgânica 70% Substâncias não Húmicas Polissacarídeos Proteínas Açúcares Aminoácidos Ácidos Orgânicos Substâncias Húmicas Ácido Húmico Ácido Fúlvico Humina

8 Fracionamento Químico da MOS Lavagem com HCl 0,1 mol L -1 Extração comnaoh0,1 mol L -1 Solo Armazenar o sobrenadante (Ácido Fúlvico 1) Fração Insolúvel Humina Acidificação com HCl 6 mol L -1 Fração Solúvel Ácido Húmico e Fúlvico Armazenar o líquido das lavagens da humina Ácido Húmico Lavar até ph 7,0 Armazenar o sobrenadante Fração Solúvel Ácido Fúlvico 2 Armazenar o líquido Metodologia sugerida pela Sociedade Internacional de Substâncias Húmicas

9 Matéria Orgânica Substâncias Húmicas HUMIFICAÇÃO - 2 etapas: humificação biológica e maturação do húmus - Resíduos orgânicos existentes no solo são rapidamente atacados pela macrofauna e microfauna liberação de açúcares, ácidos orgânicos, aminoácidos, proteínas, peptídeos, celulose, resinas, etc. - Redução da atividade microbiana do solo liberação de produtos simples (nitratos e sulfatos) e aumento de compostos resistentes a decomposição.

10 SCHULTEN, H.R.; SCHNITZER, M. Soil Science, v. 162, p , 1997.

11 Estrutura Macromolecular Estrutura Supramolecular Cátions metálicos Polissacarídeos Polipeptídios Cadeias alifáticas Aromáticos SCHULTEN, H.R.; SCHNITZER, M. Soil Science, v. 162, p , SIMPSON, A.J. et al. Naturwissenschaften, v. 89, p , 2002.

12 SISTEMAS DE MANEJO CONDIÇÕES CLIMÁTICAS... CARACTERIZAÇÃO

13 Matéria Orgânica do Solo Humificação FONTE:

14 Caracterização da Matéria Orgânica Química Limitado [Carbono] Espectroscópica Transformação Maturação Humificação

15 Quantificação da Matéria Orgânica Química Quantificação Metodologias: Gravimetria por incineração em mufla; Termogravimetria; Cromatografia; Oxidação por via seca; Oxidação da matéria orgânica (MO) por via úmida, (destacando-se os métodos preconizados por Schollenberger, Walkley-Black, Walkley-Black modificado). SEGNINI, A.; SANTOS, L.M.; SILVA, W.T.L.; MARTIN-NETO, L.; BORATO, C.E.; MELO, W.J.; BOLONEZI, D. Química Nova, v. 31, n. 1, p , 2008.

16 Quantificação da Matéria Orgânica Metodologia: gravimetria e termogravimetria Perda de massa do solo por incineração e aquecimento. < 110 o C: água livre ou água de volatilização o C: decomposição da MO o C: oxidação de C da MeO o C: água de constituição de hidróxidos metálicos Desvantagens: Vantagens: velocidade analítica não contamina o ambiente custos riscos ao analista

17 Quantificação da Matéria Orgânica Metodologia: análise elementar Foto: Analítica (EUROVECTOR Instruments & Software)

18 Quantificação da Matéria Orgânica Metodologia: análise elementar Permite a determinação da composição da MOS (C, N, H, O, S). Oxidação da amostra a 1000 o C Separação: cromatográfica Detecção: condutividade térmica Amostra oxidação N 2 CO 2 H 2 O SO 2 %O = [(100-(C+N+H+S)]% coluna C/N cromatográfica Determinação %N Simultânea %C Amostras: líquidas %H gasosas e sólidas %S separação Massa de amostra: 1 mg

19 Quantificação da Matéria Orgânica Metodologia: carbono orgânico total (TOC) Permite a quantificação do carbono orgânico Carbono Total e Carbono Inorgânico Oxidação do carbono a CO 2 (900 o C) Separação: cromatográfica Vantagens: - Rápida - Reprodutível - Quantidade de amostra: (100 mg) que a análise elementar - Amostras líquidas

20 Quantificação da Matéria Orgânica a) Concentration of particle size fraction in the soil expressed in % b) Carbon contend of particle size fractions González Pérez, M.; Milori, D.M.B.P.; Martin-Neto, L.; Colnago, L.A.; Camargo, O.A.; Berton, R.; Bettiol, W. Scientia Agricola, v. 63, n. 3, p , 2006.

21 Quantificação da Matéria Orgânica Metodologia: Walkley-Black PROBLEMAS!!!!!!!! Oxidação do carbono orgânico do solo por íons dicromato, em meio fortemente ácido Cr 2 O 7 2- (aq) + 3 C (s) + 16 H + (aq) 4 Cr3+ (aq) + 3 CO 2(g) + 8 H 2 O (l) Reduz Oxida Quantificação de íons Cr 3+ reduzidos: titulação ou colorimetria carbono orgânico do solo 4+ MOS (g kg -1 ) = C x 1,724 Fator de van Bemmelen teor de C da MOS = 58%

22 Quantificação da Matéria Orgânica TOC e Análise Elementar: < desvios TOC, Análise Elementar e Walkley Black: resultados (22.9 e 17.7%) Termogravimetria: dificuldade entre a distinção de perda de H 2 O de constituição das argilas e a degradação da MO valores dispersos

23 Quantificação da Matéria Orgânica

24 Técnicas Espectroscópicas Transmissão Absorção Reflexão AH

25 Absorção de Luz Ultravioleta-Visível nm (UV) nm (Visível) Fonte:

26 Absorção de Luz Ultravioleta-Visível Lei de Lambert Beer A = ε b c Soluções: 10 mg kg -1 2 mg de AH em 10 ml de NaHCO 3 0,05 mol L -1 Razão E 4 /E 6 (465 e 665 nm) Grau de humificação STEVENSON, F. J. Humus Chemistry: genesis, composition, reactions. 2. ed. New York: John Wiley, p.

27 Absorção de Luz Ultravioleta-Visível Razão E 4 /E 6 (465 e 665 nm) Grau de humificação Razão E 4 /E 6 : Massa Molecular e Condensação dos Anéis STEVENSON, F. J. Humus Chemistry: genesis, composition, reactions. 2. ed. New York: John Wiley, p.

28 Limitações UV-Vis A razão E 4 /E 6 está associada aos grupos aromáticos condensados e não com a aromaticidade total das amostras. Correlação entre proporção de grupos aromáticos determinados por CP/MAS 13 C e relação E 4 /E 6 nas amostras de AH. SAAB, S.C.; MARTIN-NETO, L. Química Nova, v. 30, p , 2007.

29 Limitações UV-Vis

30 Aplicações UV-Vis Figura Valores da razão E4/E6 obtidos para os ácidos húmicos extraídos do (a) LVef sem e com adição de lodo de esgoto e (b) LVd sem e com adição de lodo de esgoto. As profundidades variam de 0-60 cm onde: P1 0-10; P ; P e P cm. SANTOS, L. M. Dinâmica da matéria orgânica e destino de metais pesados em dois solos submetidos à adição de lodo de esgoto f. Dissertação (Mestrado em Ciências) Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.

31 Aplicações UV-Vis Iprodione Atrazine Imazaquin Absorbância 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Imazaquin Atrazina Iprodione λ (nm) Intensidade máxima de absorbância (%) Imazaquin Atrazina Iprodione Tempo de irradiação (min) Espectro de absorção na região do ultravioleta dos pesticidas (10 mg L -1 ), em meio aquoso. Curva de acompanhamento da fotólise de degradação dos pesticidas, em meio aquoso. GARBIN, J.R. et al. Chemosphere, v. 66, p , 2007.

32 Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) Fonte: Complexação dos íons metálicos paramagnético: (Fe 3+, Cu 2+, Mn 2+, VO 2+, Mo 5+, Cr 3+ e outros). Micronutrientes Metais Pesados

33 Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) Radicais livres do tipo semiquinona. Grau de humificação Efeitos de manejos do solo Vantagens: - Amostras: sólida, líquida e gasosa - Análise não destrutiva

34 Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) Íons Paramagnético: Fe Z = 26 Fe 3+ Z = 23 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 2 elétrons emparelhados: - diamagnéticos - têm campos opostos que se anulam - são repelidos por um ímã Átomo com pelo menos 1 elétron desemparelhado: - paramagnético - são atraídos levemente por um ímã

35 Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) Íons Paramagnético: O Z = 8 C Z = 6 1s 2 2s 2 2p 4 1s 2 2s 2 2p 2

36 Aplicações RLO Bayer, C.; Martin-Neto, L.; Saab, S.C. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 27, n. 3, 2003.

37 Aplicações e Limitações RPE Argila Solo Areia SANTOS, L.M. et al., Eclética Química, v. 35, p , 2010.

38 Aplicações RPE (A) Sinais de RLO do composto da L1 em função do tempo de compostagem. (B) Largura de linha tomada pico a pico (DH) do sinal de RLO dos compostos da L1 (poda de árvore), L2 (poda de árvore + esterco bovino fresco) e L3 (poda de árvore + bagaço de laranja) em função do tempo. FIALHO, L.L. et al. Química Nova, v. 33, p , 2010.

39 Aplicações RPE SANTOS, L. M. Dinâmica da matéria orgânica e destino de metais pesados em dois solos submetidos à adição de lodo de esgoto f. Dissertação (Mestrado em Ciências) Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.

40 Ressonância Magnética Nuclear (RMN) Fonte: Fonte: Fonte:

41 Ressonância Magnética Nuclear (RMN) Limitações: CP MAS NMR - Anisotropia: interações alargamento das linhas espectrais resolução Alta rotação em torno do ângulo de 54,7º MAS Magic Angle Spinning - T1 muito longo polarização cruzada tempo de análise CP Cross Polarization

42 Ressonância Magnética Nuclear (RMN) Espectro de RMN de 13 C em estado sólido utilizando a técnica CP-MAS de uma amostra de AH. SKJEMSTAD, J.O. et al. J. Australian Journal of Experimental Agriculture, v. 38, p , 1998.

43 Aplicações RMN Alifaticidade = Área C alifático ppm x 100% Área C ppm Aromaticidade = Área C aromático ppm x 100% Área C ppm

44 Aplicações RMN Grau de aromaticidade de AHs e COT de um latossolo roxo submetido a diferentes manejos. MARTIN-NETO, L. et al. Comunicado Técnico: Embrapa. p. 1-5, 1996.

45 Aplicações RMN Aromaticidade (%) LVef LVef + B LVd LVd + B Lodo Amostras SANTOS, L.M. et al. Circular Técnica: Embrapa, v. 36, p. 1-7, 2006.

46 Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) Fonte:

47 Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) Grupos Funcionais Carboxílicos Hidroxílicos Aromáticos Alifáticos

48 Aplicações FTIR Região (cm -1 ) e Estiramento OH do grupo fenólico (contribuição de OH alifático, H 2 O e possivelmente NH) Estiramento CH aromático Estiramento CH assimétrico Estiramento CH simétrico Estiramento OH de H-ligado a COOH Estiramento C=O de COOH Estiramento C=C aromático e/ou estiramento COO - assimétrico Estiramento C=C aromático, deformação N H e estiramento C=N de amidas Deformação CH de CH 3 e dobramento CH de CH 2 Estiramento COO simétrico e/ou dobramento CH de alifáticos Estiramento C-O de fenólico Estiramento C-O e deformação OH de COOH Estiramento C-OH de alifáticos OH Estiramento C O de polissacarídeos ou derivados de polissacarídeos e Si O de impurezas silicatadas Vibração CH fora do plano. Impurezas argilosas. Vibração CH fora do plano Origem

49 Aplicações FTIR Humificação Região (cm -1 ) e Estiramento OH do grupo fenólico (contribuição de OH alifático, H 2 O e possivelmente NH) Estiramento CH aromático Estiramento CH assimétrico Estiramento CH simétrico Estiramento OH de H-ligado a COOH Estiramento C=O de COOH Estiramento C=C aromático e/ou estiramento COO - assimétrico Estiramento C=C aromático, deformação N H e estiramento C=N de amidas Deformação CH de CH 3 e dobramento CH de CH 2 Estiramento COO simétrico e/ou dobramento CH de alifáticos Estiramento C-O de fenólico Estiramento C-O e deformação OH de COOH Estiramento C-OH de alifáticos OH Estiramento C O de polissacarídeos ou derivados de polissacarídeos e Si O de impurezas silicatadas Vibração CH fora do plano. Impurezas argilosas. Vibração CH fora do plano Origem

50 Aplicações FTIR O-H C-H C=O C-O C-H SANTOS, L.M. et al. Soil Science Society of America Journal. v. 74, 2010.

51 Aplicações FTIR R4 R1 R2 R3 R R5b R5a número de onda (cm -1 ) PC2 (2,3%) R1a R1b R4a R2a R2b R4b R3b R3a PC1 (97,5%) Espectro de FTIR das amostras de cama de frango, R1, R2, R3 e R4, e esterco bovino, R5. EMATER (Coronel Vivida) Avícola Pato Branco

52 Aplicações e Limitações FTIR Caulinita e Quartzo: Si O Caulinita e Gibsita: Al OH cm 5-10 cm 2,5-5 cm 0-2,5 cm número de onda (cm -1 ) Espectro de FTIR para as amostras de solos nas profundidades de 0-2,5; 2,5-5,0; 5,0-10,0 e 10,0-20,0 cm com a adição de 12 t ha -1 de cama de aviário

53 Trabalhos em desenvolvimento: Dr. Luis Cesar Cassol (UTFPR Câmpus Pato Branco)

54 Fluorescência de Luz Ultravioleta-Visível Soluções: 10 mg kg -1 2 mg de AH em 10 ml de NaHCO 3 0,05 mol L -1 Espectros de Fluorescência: -Emissão -Excitação -Excitação com varredura sincronizada Fonte: portuguese.alibaba.com

55 Fluorescência de Luz Ultravioleta-Visível Fenômeno Fluorescência: C=O aromáticos fenólicos quinonas e/ou sistemas alifáticos conjugados insaturados

56 Aplicações da Fluorescência Índice de Humificação Zsolnay: A 4 /A 1 = área de nm/ área de nm Espectros obtidos de excitação em 240 nm e ph da solução igual a 2,0. Milori: A 465 = área total sobre o espectro de fluorescência Comprimento de onda azul (465 nm) como fonte de excitação. Kalbitz, Geyer e Geyer: I 400 /I 360 = razão entre as intensidades de fluorescência em 400 e 360 nm, ou 470 e 360 nm Modo de excitação com varredura sincronizada. KALBITZ, K.. et al. Biogeochemical, v. 47, p , ZSOLNAY, A. et al. Chemosphere, v. 38, p , MILORI, D.M.B.P. et al. Soil Science, v. 167, p , 2002.

57 Aplicações da Fluorescência campo nativo plantio direto manejo convencional campo nativo plantio direto manejo convecional Intensidade (u.a.) Intensidade (u.a.) A 1 A 4 0 λ 399 λ λ (nm) λ (nm) campo nativo plantio direto manejo convencional 300 campo nativo plantio direto manejo convencional 250 Intensidade (u.a.) λ 465 Intensidade (u.a.) λ (nm) λ (nm) KALBITZ, K.. et al. Biogeochemical, v. 47, p , ZSOLNAY, A. et al. Chemosphere, v. 38, p , MILORI, D.M.B.P. et al. Soil Science, v. 167, p , 2002.

58 Aplicações da Fluorescência SANTOS, L.M. et al. Soil Science Society of America Journal, v. 74, 2010.

59 Fluorescência Induzida por Laser (FIL) 3 S olo natural Solo calcinado (600 C ) Intensidade (u.a.) λ (nm ) Foto: Milori MILORI, D.M.B.P. et al. Soil Science Society of America Jornal, v. 70, p.57-63, 2006.

60 Fluorescência Induzida por Laser (FIL) amostra Laser de argônio 2- Prisma 3,4,5- Espelhos planos 6- Lente convergente 7- Modulador 8- Filtro 9- Monocromador 10- Fotomultiplicadora 11- Amplificador Lock-in 12- Sistema de aquisição Fonte -800 V osciloscópio 11 12

61 Aplicações FIL GONZÁLEZ-PÉREZ, M. et al. Geoderma, v. 138, p , SANTOS, L.M. et al. Soil Science Society of America Journal, v. 74, 2010.

62 Aplicações FIL SI: Sem irrigação, sem dose de fertilização nitrogenada mineral; 100: irrigação com EET e umidade do solo na capacidade de campo; 125: irrigação com EET e umidade do solo 25% (v/v) acima da capacidade de campo; 150: irrigação com EET e umidade do solo 50% (v/v) acima da capacidade de campo; 200: irrigação com EET e umidade do solo 100% (v/v) acima da capacidade de campo.

63 Aplicações Técnicas Espectroscópicas SANTOS, L.M., et a., Geoderma, v. 155, p , 2010.

64 Aplicações Técnicas Espectroscópicas

65 Caracterização da MOS HUMIFICAÇÃO Composição Orgânica Caracterização da MOS Composição Inorgânica 1. Espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS) 2. Espectrometria de Absorção Atômica 3. Espectrometria de Emissão Atômica

66 Espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS)

67 Espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS) Vantagens Desvantagens Preparo da Amostra Rapidez Sensibilidade Analítica Reprodutibilidade

68 Espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS)

69 Aplicações LIBS FERREIRA, E.C.; MILORI, D.M.B.P.; FERREIRA, E.J. SANTOS, L.M.; MARTIN-NETO, L.; NOGUEIRA, A.R.A. Talanta, v. 85, p , 2011.

70 Aplicações LIBS

71 Espectrometria de Absorção Atômica (AAS) Átomos gasosos excitados Átomos gasosos no estado fundamental M + hv M* Radiação eletromagnética característica

72 Espectrometria de Emissão Atômica (OES) Átomos gasosos no estado fundamental M + hv M* Radiação eletromagnética característica Átomos gasosos excitados

73 Limites de detecção típicos para as principais técnicas espectroanalíticas

74 FAST SEQUENTIAL Cortesia: Varian

75 Extração sequencial/fracionamento químico: é a determinação das dos teores de cada elemento ligado as diferentes frações da amostra. Caracterização + Quantificação Mobilidade Biodisponibilidade Acumulação Propriedades toxicológicas Formas químicas

76 1. Fase trocável/ solúvel 2. Ligada a carbonatos 3. Ligada a óxidos de Mn e Fe 4. Ligada a matéria orgânica 5. Residual TESSIER, A.; CAMPBELL, P.G.C. & BISSON, M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Anal. Chem., 51: , 1979.

77 1. Fase solúvel/ trocável 2. Adsorvida na superfície 3. Ligada a matéria orgânica 4. Ligada a óxidos de Mn 5. Ligada a óxidos de Fe (amorfo) 6. Ligada a óxidos de Fe (cristalino) 7. Residual Silveira, M.L.; Alleoni, L.R.F.; O Connor, G.A.; Chang, A.C. Chemosphere, 64, , 2006.

78 Aplicações AAS Ba Cr 74% AF1 54% AF1 53% AF1 63% AF1 66% Humina 68% Humina 64% Humina 77% Humina SANTOS, L.M. Tese de Doutorado. UFSCar-SP, 2010.

79 Trabalhos em desenvolvimento: Dr. Renato Yagi (IAPAR Ponta Grossa)

80 Trabalhos em desenvolvimento: Dr. Sergio Saab (UEPG) PD x Mata x PC Pousio x PD x Mata Dra. Tangriani S. Assmann (UTFPR - Campus Pato Branco) Integração lavoura SANEPAR, EMATER, Prefeitura Municipal de Coronel Vivida, IAPAR Fossa Biodigestora e Zona de Raízes

81 OBRIGADA PELA ATENÇÃO! Larissa Macedo dos Santos Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Pato Branco (46)