UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA TESE DE DOUTORADO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA TESE DE DOUTORADO HIDROCARBONETOS POLICÍCLICOS AROMÁTICOS NO MEIO AMBIENTE: DIFERENCIAÇÃO DE FONTES EM SEDIMENTOS E METABÓLITOS EM BILE DE PEIXES Maria de Fátima Guadalupe Meniconi Orientador: Prof. Dr. Valter José Fernandes Jr. Natal-RN Março de 2007

2 MARIA DE FÁTIMA GUADALUPE MENICONI HIDROCARBONETOS POLICÍCLICOS AROMÁTICOS NO MEIO AMBIENTE: DIFERENCIAÇÃO DE FONTES EM SEDIMENTOS E METABÓLITOS EM BILE DE PEIXES Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, em cumprimento às exigências para obtenção do título de Doutor em Química. BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Valter José Fernandes Junior UFRN (Presidente) Prof. Dr. Luiz Augusto dos Santos Madureira UFSC Prof. Dr. Arthur de Lemos Scofield PUC-RJ Prof. Dr. Marcus Antônio de Freitas Melo UFRN Prof. Dr. Dulce Maria de Araújo Melo UFRN Prof. Dr. Antônio Souza de Araújo UFRN

3 Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / SISBI / Biblioteca Setorial Especializada do Centro de Ciências Exatas e da Terra CCET. Meniconi, Maria de Fátima Guadalupe. Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos no meio ambiente: diferenciação de fontes em sedimentos e metabólitos em bile de peixes / Maria de Fátima Guadalupe. Natal, f. : il. Orientador: Valter José Fernandes Jr. Tese (Doutorado) Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de Pós-Graduação em Química. 1. Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos Tese. 2. Fontes Tese. 3. Razões diagnósticas Tese. 4. Análise de componentes principais Tese. 5. Metabólitos Tese. I. Fernandes Jr., Valter José. II. Título.

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5 Casa França - Brasil ou melhor: Bordeaux Rio ou na memória: Divinópolis BH. Não importa. O que importa é o amor que atravessa tudo e está em tudo. Nós, eu e você; nossos filhos adorados; nossas famílias, apesar dos detalhes. Mas, no resumo e extrato, o que importa somos nós. Chegamos lá. Temos uma comunhão rara. Luiz Cláudio De Marco Meniconi

6 Ao meu pai, Major Guadalupe, pela presença constante em meu coração, pelo exemplo de honestidade, firmeza e desprendimento.

7 Agradecimentos Agradeço, primeiramente, a meu orientador, Valter, pela oportunidade, confiança, e amizade. Sua garra, entusiasmo, discernimento e leveza são qualidades que trarei para meu cotidiano como referência. Agradeço, também pelo carinho e estímulo, à pessoa maravilhosa que é Antônio Araújo. É um privilégio tê-lo por perto. Sou grata a todos os colegas do Centro de Pesquisas da Petrobras (CENPES) e particularmente ao Grupo de Química Ambiental. Especialmente agradeço à Heloísa, Rui, Politano, Cristina Bentz, Rosana, Mauro, Leonardo, Denis, Eleine, Leandro, André, Sirayama, Sanseverino, Maurício, Teresinha, Mônica Aparecida, Flávia, Gilson, Paulo César e Lima, que colaboraram em diversas fases deste trabalho. Ao pessoal da Reprografia do CENPES, agradeço pelo sempre excelente trabalho, camaradagem e bom humor. Agradeço também aos colegas do SOP, que viabilizaram a difícil tarefa de envio de bile de peixe para a França. Sou imensamente grata ao colega, amigo e extraordinário químico Scot, referência para todos nós. Sua alegria é contagiante. Suas discussões, uma aprendizagem constante. Agradecimento especial a Carlos Massone por acompanhar de perto o desenvolvimento deste trabalho, pelas discussões técnicas sempre coerentes, por sua amizade, prontidão e pela ajuda em minhas eternas lutas contra os moinhos de softwares e computadores.

8 Agradeço a Eulália, primeiramente, pelo companheirismo: ter assumido a coordenação do grupo, tornando possível minha dedicação ao trabalho de tese. Isto foi fundamental. Sou grata também por sua cuidadosa revisão do manuscrito e por suas discussões tão pertinentes e calorosas. À minha amiga Irene, agradeço pelo incentivo nesta empreitada e sempre. Sou grata por seu suporte permanente, sua liderança e seus cuidados constantes. Sua bondade e desprendimento são exemplos para todos nós. Agradeço a Petrobras por ter viabilizado meu programa de pós-graduação, em especial ao Gerente Pedro Penido Duarte Guimarães, concedendo os recursos necessários para a realização deste trabalho. Agradeço as pessoas com as quais convivi no Laboratório de Físicotoxicoquímica de Sistemas Naturais da Universidade de Bordeaux e que contribuíram para este trabalho. Especialmente à Hélèn Budzinski e Marie le Dû, pela oportunidade e aprendizagem que tive com elas. Agradeço ainda a Sylvie Augagneur por me ajudar a sobreviver à burocracia francesa. Ainda em Bordeaux, agradeço a convivência maravilhosa com Jean Claude, Annie e Marta ao longo de ricos três meses onde, longe da família e de casa, experimentei nova e duradoura amizade. A minha irmã de direito, de sangue e de sonhos, Maria Neusa, minha referência sempre, sou grata pela força, admiração e amor incondicional. E por fim agradeço aos amados Ana Luiza, Amadeu e Lu, meus filhos e marido, pelo incentivo em atravessar fronteiras, por perdoarem minhas ausências constantes e pela paciência diante dos protagonistas de nossas vidas nestes últimos quatro anos: os HPA e a Baía de Guanabara!

9 i Sumário Sumário Resumo Abstract Lista de Figuras Lista de Tabelas Pág. i iii v vii xii CAPÍTULO 1 Introdução e Objetivos Introdução Objetivos Objetivo Geral Objetivos Específicos 4 CAPÍTULO 2 Aspectos Teóricos e Revisão da Litetratura Introdução Hidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos Comportamento dos HPA no Ambiente Marinho e seus Metabólitos Propriedades físico-químicas dos HPA Ciclos Geoquímico e Biológico dos HPA no Meio Ambiente Biotransformação dos HPA (Metabólitos) e sua Toxicidade Critérios de Qualidade Ambiental: Valores Orientadores de HPA Principais Fontes de HPA no Ambiente Marinho Fontes Antropogênicas Fontes Naturais Diferenciação de Fontes de HPA em Amostras Ambientais Razões Diagnósticas de HPA Análise de Componente Principal (ACP) 54 CAPÍTULO 3 Área de Estudo Características Regionais da Baía de Guanabara e sua Poluição 56 Antropogênica Crônica 3.2. Derrame de Óleo Combustível na Baía de Guanabara Janeiro de CAPÍTULO 4 Materiais e Métodos Diferenciação de Fontes de HPA em Sedimentos da Baía de Guanabara Estratégia Amostral Determinação dos HPA em Sedimentos Extração da Amostra Fracionamento do Extrato Análise de HPA por CG-EM Técnicas de Identificação de Fontes de HPA Razões Diagnósticas Análise de Componentes Principais (ACP) Metabólitos de HPA em Bile de Peixes da Baía de Guanabara 78

10 ii Estratégia Amostral Coleta de Bile de Peixe Determinação dos Metabólitos Biliares de HPA Preparo da Amostra Análise de Metabólitos de HPA por CG-EM 86 CAPÍTULO 5 Resultados e Discussão Quantificação e Distribuição dos HPA em sedimentos da Baía de Guanabara Diferenciação de Fontes de HPA na Baía de Guanabara Razões Diagnósticas Análise de Componentes Principais (ACP) Metabólitos de HPA em Bile de Peixes da Baía de Guanabara Análise Descritiva dos Teores de Metabólitos de HPA Avaliação Estatística dos Teores de Metabólitos de HPA 133 CAPÍTULO 6 Conclusões 141 CAPÍTULO 7 Recomendações 147 CAPÍTULO 8 Referências Bibliográficas 150 ANEXOS 171 Anexo A Lista de HPA analisados por CG-EM em sedimento da Baía de 172 Guanabara Anexo B Lista das coordenadas geográficas das estações de sedimento na 173 Baía de Guanabara Anexo C Lista de metabólitos de HPA analisados em bile de peixes 174 Anexo D Anexo E Anexo F Anexo G Anexo H Concentração de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara, campanhas 2000 e 2003 e nos óleos estudados Análises paramétrica e não paramétrica dos teores de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara entre as campanhas 2000 e 2003 Distribuição de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara para as campanhas 2000 e concentrações individuais Valores das razões diagnósticas de HPA para as amostras de sedimentos da Baía de Guanabara coletadas nas campanhas 2000 e 2003 e para os óleos e derivados estudados Dados processados de HPA para análise de ACP das amostras de sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas de 2000 e

11 iii Resumo Inúmeros estudos da qualidade de ecossistemas naturais em relação a contaminação de hidrocarbonetos policíciclos aromáticos (HPA) têm sido desenvolvidos continuadamente face a sua presença ubíquoa em todo o planeta e ao seu potencial tóxico após a biotransformação. A introdução dos HPA no meio ambiente pode ocorrer através de processos naturais e antropogênicos, através de despejos e/ou drenagens e deposição atmosférica indireta. Fontes naturais de HPA incluem queimadas naturais, exsudações de óleo e processos biogênicos recentes. Fontes antropogênicas de HPA, advindas de eventos crônicos ou agudos, são a combustão incompleta de óleo combustível automotivo e industrial, a queima intencional de madeira e plantações, os despejos domésticos e industriais, as drenagens pluviais urbanas, os efluentes da indústria petrolífera, os derrames acidentais de óleo e derivados. Além da coexistência de múltiplas fontes destes hidrocarbonetos nas amostras ambientais, os HPA estão sujeitos a vários processos geoquímicos que conduzem à alteração de sua composição química ao longo do tempo, tornando a identificação das fontes contaminantes, se petrogênica, pirolítica ou natural, um verdadeiro desafio. Desta forma, um dos objetivos deste estudo foi estabelecer ferramentas que possibilitem a determinação das fontes de hidrocarbonetos no meio ambiente. Foram utilizadas razões diagnósticas e análise de componentes principais de HPA, tendo sido quantificados 38 compostos, incluindo os HPA parentais e alquilados, em 21 amostras de sedimento da Baía de Guanabara, coletadas nos anos de 2000 e A Baía de Guanabara é um ecossistema estuarino com elevada influência antropogênica, que recebe poluição crônica da região metropolitana do Rio de Janeiro e que foi cenário de um derrame de óleo em janeiro de As concentrações de HPA nos sedimentos estudados apresentaram-se na faixa de 400 a ng g -1. Ambas as técnicas de diferenciação de fontes de HPA testadas, razões diagnósticas e análise de componentes principais, demonstraram sua aplicabilidade, permitindo a diferenciação das fontes de HPA para a maioria dos sedimentos da baía, que foram divididos em dois grandes grupos: sedimentos com padrões de introdução de hidrocarbonetos

12 iv predominantemente petrogênicos e sedimentos com características de combustão. Apenas uma minoria de amostras não apresentou com nitidez a natureza de sua contaminação. As razões que apresentaram maior capacidade em diferenciar as fontes de HPA foram Fluoranteno / (Fluoranteno + Pireno), (Fenantreno + Antraceno) / (Fenantreno + Antraceno + C1Fenantreno) e o índice pirolítico, (HPA parentais de 3-6 anéis) / (5 séries de HPA alquilados). Na avaliação temporal realizada neste estudo não foram verificadas variações significativas na natureza das fontes contaminantes predominantes na baía, revelando que os hidrocarbonetos presentes estão correlacionados principalmente com os aportes crônicos e não diretamente com eventos agudos como o derrame de óleo ocorrido em janeiro de Este estudo teve como segundo objetivo a avaliação preliminar do nível de exposição a que os organismos aquáticos da Baía de Guanabara estão submetidos, através da quantificação de 12 metabólitos individuais de HPA presentes em bile de peixe de quatro espécies demersais representativas de três famílias diferentes. Os metabólitos analisados foram 1-hidroxinaftaleno, 1-hidroxifenantreno, 9- hidroxifenantreno, 2-hidroxinaftaleno, 2-hidroxifenantreno, 1-hidroxipireno, 3- hidroxibifenila, 3-hidroxifenantreno, 1-hidroxicriseno, 9-hidroxifluoreno, 4- hidroxifenantreno, 3-hidroxibenzo(a)pireno. As concentrações encontradas nas espécies de peixes analisadas mostraram-se elevadas, na faixa de 13 a 177 g g - 1, porém similares às encontradas em algumas regiões de grande influência antropogênica, tanto no Brasil quanto no exterior. Além dos metabólitos estabelecidos pela metodologia utilizada, foi possível quantificar três compostos, ainda não reportados na literatura, em concentrações relevantes. Estes metabólitos, relacionados a contribuição pirolítica de HPA aos organismos aquáticos da Baía de Guanabara, são isômeros de 1-hidroxipireno e de 3- hidroxibenzo(a)pireno. Palavras chaves: Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos; fontes; razões diagnósticas; análise de componentes principais; pirogênico; combustão, petrogênico; petróleo, metabólitos; bile; peixe; sedimento.

13 v Abstract Many studies on environmental ecosystems quality related to polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) have been carried out routinely due to their ubiquotus presence worldwide and to their potential toxicity after its biotransformation. PAH may be introduced into the environmet by natural and anthropogenic processes from direct runoff and discharges and indirect atmospheric deposition. Sources of naturally occurring PAHs include natural fires, natural oil seepage and recent biological or diagenetic processes. Anthropogenic sources of PAHs, acute or chronic, are combustion of organic matter (petroleum, coal, wood), waste and releases/spills of petroleum and derivatives (river runoff, sewage outfalls, maritime transport, pipelines). Besides the co-existence of multiples sources of PAH in the environmental samples, these compounds are subject to many processes that lead to geochemical fates (physical-chemical transformation, biodegradation and photo-oxidation), which leads to an alteration of their composition. All these facts make the identification of the hydrocarbons sources, if petrogenic, pyrolytic or natural, a challenge. One of the objectives of this study is to establish tools to identify the origin of hydrocarbons in environmental samples. PAH diagnostic ratios and PAH principal component analysis were tested on a critical area: Guanabara Bay sediments. Guanabara Bay is located in a complex urban area of Rio de Janeiro with a high anthropogenic influence, being an endpoint of chronic pollution from the Greater Rio and it was the scenario of an acute event of oil release in January It were quantified 38 compounds, parental and alkylated PAH, in 21 sediment samples collected in two surveys: 2000 and The PAH levels varied from 400 to ng g -1. Both tested techniques for origin identification of hydrocarbons have shown their applicability, being able to discriminate the PAH sources for the majority of the samples analysed. The bay sediments were separated into two big clusters: sediments with a clear pattern of petrogenic introduction of hydrocarbons (from intertidal area) and sediments with combustion characteristics (from subtidal region). Only a minority of the samples could not display a clear contribution of petrogenic or pyrolytic input. The

14 vi diagnostic ratios that have exhibited high ability to distinguish combustion- and petroleum-derived PAH inputs for Guanabara Bay sediments were Phenanthrene+Anthracene/ (Phenanthrene+Anthracene+C1Phenanthrene); Fluorantene/(Fluorantene+Pyrene); (other 3-6 ring PAHs)/ (5 alkylated PAH series). The PCA results prooved to be a useful tool for PAH source identification in the environment, corroborating the diagnostic indexes. In relation to the temporal evaluation carried out in this study, it was not verified significant changes on the class of predominant source of the samples. This result indicates that the hydrocarbons present in the Guanabara Bay sediments are mainly related to the long-term anthropogenic input and not directly related to acute events such as the oil spill of January This findings were similar to various international estuarine sites. Finally, this work had a complementary objective of evaluating the level of hydrocarbons exposure of the aquatic organisms of Guanabara Bay. It was a preliminary study in which a quantification of 12 individual biliar metabolites of PAH was performed in four demersal fish representing three different families. The analysed metabolites were 1-hydroxynaphtalene, 2-hidroxinaphtalene, 1- hydroxyphenanthrene, 9-hydroxyphenanthrene, 2- hydroxyphenanthrene, 1- hydroxypyrene, 3-hidroxibiphenil, 3- hydroxyphenanthrene, 1-hydroxychrysene, 9- hydroxyfluorene, 4- hydroxyphenanthrene, 3-hydroxybenz(a)pyrene. The metabolites concentrations were found to be high, ranging from 13 to 177 g g -1, however they were similar to worldwide regions under high anthropogenic input. Besides the metabolites established by the used protocol, it was possible to verified high concentrations of three other compounds not yet reported in the literature. They were related to pyrolytic PAH contribution to Guanabara Bay aquatic biota: 1-hydroxypyrine and 3-hydroxybenz(a)pyrine isomers. Keywords: Polycyclic aromatic hydrocarbons; sources; ratios; principal component analysis; pyrolytic; combustion, petrogenic; petroleum, metabolites; bile; fish; sediment.

15 vii Lista de Figuras Capítulo 2 - Aspectos Teóricos e Revisão da Litetratura Figura 2.1. Estruturas e nomenclatura dos HPA parentais prioritários da 10 EPA Figura 2.2. Estruturas e nomenclatura de HPA parentais e alquilados mais 11 frequentemente investigados na literatura Figura 2.3. Esquema de origem, transporte e transformação dos HPA no 16 meio ambiente Figura 2.4. Variação da distribuição dos HPA em amostra de sedimento 18 de Prince William Sound, Alaska, após acidente do navio Exxon Valdez face ao intemperismo Figura 2.5. Evolução da razão C2 Criseno/C2 Fenantreno para amostras 19 do óleo derramado do navio tanque Exxon Valdez no Alasca ao Figura 2.6. Processo de transformação dos HPA em organismos 22 aquáticos Figura 2.7. Esquema da ativação metabólica de HPA através de oxidação 25 por reação enzimática Figura 2.8. Estruturas e nomenclaturas de metabólitos livres (A) e 26 conjugados (B) de HPA Figura 2.9. Processo de formação de petróleo e seu armazenamento 34 Figura Perfis de distribuição de alguns HPA demonstrando as 36 diferenças entre fontes petrogênicas e pirolíticas em função da abundância relativa dos HPA parentais e seus respectivos alquilados Figura Estatística de derrames de óleo segundo ITOPF 38 Figura Processos de alteração de um óleo após contato com o meio ambiente Figura Escala de tempo dos diversos processos de intemperismo de óleo no meio ambiente Figura Representação de uma exsudação de óleo na superfície do oceano Figura Exsudações na superfície do oceano (a) formas circulares (b) formas alongadas Figura Habilidade de discriminação de razões diagnóstica com base em isômeros parentais através de estabilidade termodinâmica Capítulo 3 - Área de Estudo Figura 3.1. Bacia de Drenagem da Baía de Guanabara 56

16 viii Figura 3.2. Características socio-fisico-econômica da Baía de Guanabara 57 Figura 3.3. Evolução da mancha de óleo após acidente de janeiro/2000 na Baía de Guanabara 63 Capítulo 4 - Materiais e Métodos Figura 4.1. Fluxograma do procedimento experimental e analítico do estudo de diferenciação de fontes de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara Figura 4.2. Posição geográfica das 21 estações de sedimento na Baía de Guanabara analisadas em 2000 e 2003 Figura 4.3. Coleta de amostras de sedimento da baía de Guanabara com testemunhadores e dragas e sub-amostragem da camada superior do sedimento Figura 4.4 Lista dos 38 HPA analisados neste estudo: 16 prioritários EPA, os homólogos alquilados e outros Figura 4.5. Fluxograma das etapas analíticas envolvidas na determinação de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara Figura 4.6. Cromatograma de massas dos HPA parentais de uma mistura padrão Figura 4.7. Fluxograma das etapas do estudo de metabólitos de HPA em bile de peixes da Baía de Guanabara Figura 4.8. Imagens das espécies de peixes estudadas na Baía de Guanabara Figura 4.9. Local geográfico das estações de coleta de peixes por arrasto na Baía de Guanabara para a análise de metabólitos biliares de PAH Figura Ilustração do procedimento de extração da visícula biliar de peixes da Baia de Guanabara Figura 4.11 Fluxograma das etapas analíticas envolvidas na determinação de metabólitos de HPA em bile de peixes Figura Cromatograma de massas dos metabólitos de HPA de uma mistura padrão após derivatização Capítulo 5 - Resultados e Discussão Figura 5.1. Predomínio de HPA alquilados em amostras de intermaré para a campanha de 2000 em relação à de 2003 na Baía de Guanabara Figura 5.2. Predomínio de HPA de quatro e cinco anéis para as amostras do infralitoral para as campanhas de 2000 e 2003 dentro da área de influência da mancha de óleo de janeiro de

17 ix Figura 5.3. Predomínio de HPA de quatro e cinco anéis para as amostras do infralitoral para as campanhas de 2000 e 2003 fora da área de influência da mancha de óleo de janeiro de 2000 Figura 5.4. Distribuição dos HPA por número de anéis para os sedimentos da Baía de Guanabara campanha 2000 Figura 5.5. Distribuição dos HPA por número de anéis para os sedimentos da Baía de Guanabara campanha 2003 Figura 5.6. Diagrama cruzado de Fenantreno/Antraceno versus Fluoranteno/Pireno para sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e 2003 e MF 380, óleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM) Figura 5.7. Diagrama cruzado de Antraceno/Antraceno+Fenantreno versus Fluoranteno /(Fluoranteno+Pireno) para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e 2003 e MF 380, óleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM) Figura 5.8. Diagrama cruzado de Indeno 1,2,3-(CD)Pireno/Indeno 1,2,3- (cd)pireno+ Benzo(ghi)Perileno versus Fluoranteno/(fluoranteno + pireno) para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e 2003 e MF 380, óleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM) Figura 5.9. Diagrama cruzado de Fluoranteno/(Fluoranteno+Pireno) versus Fenantreno+Antraceno/(Fenantreno+Antraceno+C1Fenantreno) para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas de 2000 e 2003 e MF 380, Petróleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM). Figura Diagrama das razões [ (HPA parentais de 3-6 anéis)/ (5 séries de HPA alquilados)]. versus Fenantreno/Antraceno para sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas de 2000 e de 2003 e e MF 380, Petróleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM). Figura Diagrama das razões [ (HPA parentais de 3-6 anéis)/ (5 séries de HPA alquilados)]. Versus Fluoranteno/(Fluoranteno+Pireno) para sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas de 2000 e de 2003 e e MF 380, Petróleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM) Figura Abundância relativa de perileno para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas de 2000 e de 2003 Figura Diagrama cruzado de C3BDT/C3Fe versus C2BDT/C2Fe para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e 2003 e MF 380, Petróleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM) Figura Razão C2Criseno/C2Fenantreno para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e 2003 Figura Classificação das fontes de HPA para os sedimentos da Baía de Guanabara considerando as campanhas 2000 e

18 x Figura Projeções de ACP de variáveis de HPA e amostras de sedimento de campanha de 2000 e MF 380, óleo leve (Ar), óleo árabe (AL) e óleo diesel (DM) Figura Projeções de ACP de variáveis de HPA e as amostras de sedimentos de campanha de 2003 e e MF 380, óleo leve (Ar), óleo árabe (AL) e óleo diesel (DM) Figura Cromatograma de massas dos metabólitos de HPA depois da derivatização para a amostra de bile da Cyclichthys spinosus coletada no fundo da Baía de Guanabara, em março/2006 Figura Somatório das concentrações ( g g -1 ) de metabólitos de HPA ( 12 OH-HPA) para a espécie Genidens genidens coletada no fundo da Baía de Guanabara em fevereiro, março e abril Figura Somatório das concentrações ( g g -1 ) de metabólitos de HPA ( 12 OH-HPA) para a espécie Micropogonias furnieri coletada no fundo e na entrada da Baía de Guanabara Figura Somatório das concentrações ( g g -1 ) de metabólitos de HPA ( 12 OH-HPA) para a espécie Cyclichthys spinosus amostrada no fundo e na entrada da Baía de Guanabara Figura Gráfico de barras descritivo das concentrações de metabólitos de HPA em bile de Genidens genidens na área interna da Baía de Guanabara (Área 1) coletadas em fevereiro, março e abril de 2006 Figura Gráfico de barras descritivo das concentrações de metabólitos de HPA para a espécie de peixe Micropogonias furnieri coletada na área interna e entrada da Baía de Guanabara. Figura Gráfico de barras descritivo das concentrações de metabólitos de HPA para a espécie de peixe Cyclichthys spinosus coletada na área interna e entrada da Baía de Guanabara Figura Gráfico de barras descritivo das concentrações de metabólitos de HPA para as espécies Cyclichthys spinosus, Genidens genidens e Micropogonias furnieri na área interna da Baía de Guanabara Figura Gráfico de barras descritivo para as espécies Cyclichthys spinosus e Micropogonias furnieri na entrada da Baía de Guanabara Figura Cromatograma de massas para íon m/z 290 para uma amostra padrão (GBTEST05) e amostras de bile da espécie Cyclichthys spinosus da Baía de Guanabara. Figura Estruturas de possíveis isômeros do 1-hidroxipireno (m/z 290)

19 xi Figura Cromatograma de massas para íon m/z 290 para uma amostra padrão (linha preta) e amostras de bile das espécies Micropogonis furnieri e Genidiens genidens. da Baía de Guanabara (linhas coloridas) Figura Cromatograma de massas para íon m/z 340 para uma amostra padrão (linha preta) e amostras de bile de peixe da espécie Cyclichthys spinosus da Baía de Guanabara (linhas coloridas) Figura Estruturas de possíveis isômeros do 3-hidroxibenzo(a)pireno (m/z 340) Figura Gráfico de barras descritivo para as espécies Cyclichthys spinosus, Genidens genidens e Micropogonias Furnieri na área interna da Baía de Guanabara, considerando os 12 metabólitos e 3 isômeros (m/z 290 A e B e m/z 340)

20 xii Lista de Tabelas Capítulo 2 - Aspectos Teóricos e Revisão da Litetratura Tabela 2.1. Propriedades físico-químicas dos HPA prioritários e distribuição de anéis segundo Mackay et al (1992). Tabela 2.2. Classificação dos HPA de acordo com seu potencial Carcinogênico. Tabela 2.3. Valores orientadores de concentrações de HPA em sedimentos (marinhos e de água doce) e na coluna d água (água doce e marinha) nos EUA (NOAA Squirts) Tabela 2.4. Valores orientadores de concentrações de HPA em sedimentos (marinhos e de água doce), solo e na coluna d água (água doce) no Canadá (Canadian Environmental Quality Guidelines) Tabela 2.5. Padrões de qualidade para HPA das águas do Brasil (CONAMA 357, março de 2005, artigo 14) Tabela 2.6. Valores orientadores de concentrações de HPA em água subterrânea e solos da Cetesb Tabela 2.7. Lista dos maiores acidentes com derrame de óleo nos últimos 30 anos Tabela 2.8. Valores característicos das razões moleculares para identificação de fontes de HPA Tabela 2.9. Habilidade de discriminação de aportes petrogênicos e pirolíticos em relação às relativas estabilidades termodinâmicas de alguns isômeros Capítulo 4 - Materiais e Métodos Tabela 4.1. Amostras de bile de peixe para análise de metabólitos de HPA 83 Tabela 4.2. Principais íons (m/z) característicos dos espectros de massas obtidos por CG-EM com e sem derivatização 87 Capítulo 5 - Resultados e Discussão Tabela 5.1. Resumo dos resultados de HPA (ng g -1 peso seco) de amostras de sedimento de Baía de Guanabara para a campanha 2000 Tabela 5.2. Resumo dos resultados de HPA (ng g -1 peso seco) de amostras de sedimento de Baía de Guanabara para a campanha

21 xiii Tabela 5.3. Comparação dos teores de HPA (ng g -1 peso seco) deste 93 estudo com dados de literatura para sedimentos de inúmeros locais costeiros no mundo Tabela 5.4. Razões diagnósticas utilizadas para os sedimentos da Baía de 98 Guanabara e suas faixas limítrofes de identificação de fontes Tabela 5.5. Concentrações médias de 12 metabólitos biliares de HPA 119 ( g g -1 bile) de peixes da Baía de Guanabara Tabela 5.6. Concentração de metabólitos totais em bile de peixes (ng g de bile) em regiões costeiras nacionais e internacionais Tabela 5.7. Tempos de retenção e íons de quantificação dos metabólitos 128 de HPA analisados nas condições descritas no protocolo Tabela 5.8. Concentrações dos metabólitos biliares de HPA ( g g -1 bile) de 132 peixes da Baía de Guanabara considerando os 12 compostos e 3 isômeros Tabela 5.9. Banco de dados de concentrações de metabólitos biliares de 134 HPA de peixes da Baía de Guanabara ( g g -1 de bile) Tabela Ranks quanto ao fator Família 135 Tabela Níveis descritivos amostrais (p-valor) para os metabólitos de 135 HPA em relação ao Fator Família (Teste Kruskal-Wallis) Tabela Ranks quanto ao fator Tempo 136 Tabela Níveis descritivos amostrais (p-valor) para os metabólitos de 136 HPA em relação ao Fator Tempo (Teste Kruskal-Wallis) Tabela Ranks quanto ao fator Local 137 Tabela Níveis descritivos amostrais (p-valor) para os metabólitos de HPA em relação ao Fator Local (Teste Kruskal-Wallis) 137

22 xiv Lista de Abreviaturas APA APC BSTFA CG-EM CLAP-F Área de Proteção Ambiental Análise de componentes principais Bis(trimetilsilano)-trifluoracetamida Cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas cromatografia líquida de alta performance com detector de fluorescência Conselho Nacional de Meio Ambiente Environmental Protection Agency Calor de formação Hidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos International Tanker Owners Pollution Federation Limite de detecção do método metro Mistura complexa não resolvida CONAMA EPA Hf HPA ITOPF LDM m MCNR mg Miligrama (10-3 g) g Micrograma (10-3 g) L Microlitro (10-3 L) m Micrômetro (10-6 m) mm Milímetro (10-3 m) m/z Íon de quantificação razão massa sobre carga ng Nanograma (10-9 g) NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration NOS Compostos contendo átomos de nitrogênio (N), oxigênio (O) e enxofre (S) OH-HPA Metabólito de HPA p-valor Níveis descritivos amostrais SIM Single ion monitoring

23 Capítulo 1 - Introdução e Objetivos 1 Capítulo 1 Introdução e Objetivos

24 Capítulo 1 - Introdução e Objetivos 2 1. Introdução e Objetivos 1.1. Introdução Os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA) são compostos ubíquos no meio ambiente e advêm principalmente do uso do petróleo como uma das mais importantes fontes de energia para a condução da vida contemporânea. Entretanto, é preciso ressaltar que existem vários mecanismos diferentes pelos quais os hidrocarbonetos podem ser introduzidos no meio ambiente. Dentre as fontes antropogênicas de HPA pode-se citar os despejos domésticos e industriais, as drenagens pluviais urbanas, os efluentes da indústria petrolífera, os derrames acidentais de óleo e derivados, a combustão incompleta de óleo combustível automotivo e industrial e a queima intencional de madeira e plantações. As fontes naturais incluem as películas de plantas superiores, algas, plânctons e exsudações naturais de petróleo no oceano. Portanto, principalmente em centros urbanos e industriais, a contaminação das amostras ambientais por estes agentes retratam, inevitavelmente, a coexistência de múltiplas fontes de hidrocarbonetos face às diversas formas de introdução de hidrocarbonetos no meio ambiente. Além disso, os hidrocarbonetos, quando presentes no meio ambiente, estão sujeitos a processos físicos, químicos e biológicos que alteram de sua composição química, tornando um grande desafio sua identificação. Diante deste cenário complexo, os estudos de caracterização de áreas contaminadas por hidrocarbonetos demandam, portanto, a aplicação de uma estratégia de avaliação na qual o uso de técnicas de identificação e diferenciação das múltiplas fontes destes compostos no meio ambiente é requisito imprescindível. A informação sobre a identidade dos hidrocarbonetos é importante, não apenas no auxílio em processos jurídicos para determinação de responsabilidades criminais em

25 Capítulo 1 - Introdução e Objetivos 3 casos de derrames acidentais, quanto nos programas de gestão ambiental de áreas afetadas direta ou indiretamente pela presença do contaminante. Adicionalmente, os estudos ambientais de áreas contaminadas por hidrocarbonetos requerem, além da detecção dos níveis de hidrocarbonetos no meio ambiente (sedimento e água) e de suas fontes, avaliações integradas dos ecossistemas, fornecendo dados da biodisponibilidade dos contaminates aos organismos aquáticos. Estes estudos procuram estabelecer a conexão entre as concentrações dos hidrocarbonetos no meio ambiente e nos tecidos e fluídos dos organismos. Uma das formas de avaliação da biodisponibilidade de contaminates se dá por meio de análise de metabólitos de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos em fluídos biológicos de organismos aquáticos. Tal análise fornece subsídios para a avaliação do nível de exposição a que os organismos foram submetidos, subsidiando estudos integrados do ecossistema. Um dos indicadores utilizados é o nível de metabólitos de HPA em bile de peixe. O presente trabalho sumariza os resultados obtidos através da aplicação de ferramentas que possibilitam a determinação da origem dos hidrocarbonetos em um cenário crítico, a Baía de Guanabara, situada no Estado do Rio de Janeiro. Trata-se de um ecossistema estuarino tropical altamente urbanizado e industrializado, que recebe uma poluição crônica da região metropolitana do Rio de Janeiro e municipalidades vizinhas e que foi cenário de um derramamento acidental de óleo em As técnicas de diferenciação de fontes testadas foram as razões diagnósticas de HPA e a análise de multivariáveis de HPA em amostras de sedimento coletadas na baía. A tese ainda contempla a avaliação do nível de exposição de organismos aquáticos através da análise de metabólitos individuais de HPA em bile de peixes, capturados na Baía de Guanabara.

26 Capítulo 1 - Introdução e Objetivos Objetivos Objetivo Geral Este trabalho teve como objetivo principal aplicar técnicas para identificação e diferenciação de fontes de hidrocarbonetos em amostras de sedimento da Baía de Guanabara, utilizando razões diagnósticas de HPA e análises estatísticas multivariadas. O segundo objetivo foi avaliar, de forma preliminar, os metabólitos de HPA em bile de peixes demersais coletados na Baía de Guanabara para verificar o nível de exposição destes organismos a hidrocarbonetos Objetivos Específicos Os objetivos específicos do presente trabalho foram: Determinar as concentrações dos HPA parentais, seus isômeros e séries homólogas em amostras de sedimento da Baía de Guanabara; Comparar as concentrações de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara com de outras áreas estuarinas no mundo e com valores de referência estabelecidos no Brasil e em outros países; Verificar a eficiência da aplicação das razões diagnósticas para diferenciação das fontes de hidrocarbonetos em um ambiente com elevada influência antropogênica, neste caso os sedimentos da BG; Avaliar o potencial da técnica de análise de componentes principais (ACP) como ferramenta para discriminação fontes de hidrocarbonetos em sedimentos da Baía de Guanabara; Verificar variabilidade temporal das fontes de hidrocarbonetos identificadas no ecossistema estudado; Aplicar técnica metodológica de vanguarda, através de cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas (CG-EM), para análise de metabólitos biliares individuais de HPA em peixes da Baía de Guanabara;

27 Capítulo 1 - Introdução e Objetivos 5 Determinar, preliminarmente, as concentrações de metabólitos biliares de HPA em alguns peixes demersais na Baía de Guanabara; Comparar os níveis de metabólitos das espécies de peixes estudadas a HPA em duas macro-regiões da Baía de Guanabara (entrada e fundo); Comparar as concentrações de metabólitos biliares de HPA em peixes da Baía de Guanabara com outras áreas do mundo; Avaliar a distribuição dos metabólitos biliares individuais de HPA em peixes demersais da região estudada, identificando os compostos de maior contribuição.

28 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 6 Capítulo 2 Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura -

29 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 7 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 2.1. Introdução Nos últimos anos, as companhias de petróleo têm vivenciado muitos desafios diante de redirecionamentos de seus negócios não somente para o aumento da prospecção e produção de petróleo em águas profundas, bem como para o alcance da excelência em gestão ambiental e segurança operacional, visando minimizar riscos ambientais e contribuir para o desenvolvimento sustentável e para responsabilidade social. A maior empresa de energia do país, a Petrobras, é responsável por quase a totalidade da prospecção, produção, refino e transporte de petróleo em território nacional ( Dentro da gestão ambiental, vários procedimentos para ajuste ambiental entre a empresa e os órgãos ambientais têm sido realizados, visando a regularização completa do licenciamento de operação das unidades de negócio da Petrobras. Inserido no Plano de Contingência da Companhia, destaca-se o programa de contenção, caracterização e monitoramento de ecossistemas afetados por suas atividades. Muitos estudos de caracterização e monitoramento de ecossistemas da área de influência direta e indireta de diversas unidades das companhias de petróleo no mundo têm sido desenvolvidos. Estes auxiliam na determinação do comportamento do óleo ou efluente no meio ambiente e subsidiam a avaliação dos ecossistemas. Os estudos para avaliar o comportamento de um derrame de óleo ou de descarte rotineiro de efluente em corpos receptores demandam a caracterização detalhada de hidrocarbonetos em amostras ambientais e sua correlação com as diversas fontes de hidrocarbonetos conhecidas. Como se sabe, os hidrocarbonetos presentes no meio ambiente em todo o planeta (geralmente em baixas concentrações: partes por milhão ou partes por trilhão) advêm principalmente do uso do petróleo como uma das mais importantes fontes de energia. Entretanto, é preciso ressaltar que existem vários mecanismos diferentes pelos quais os hidrocarbonetos -

30 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 8 podem ser introduzidos no meio ambiente, que não o derrame de óleo ou o efluente da indústria petrolífera, que são: despejos domésticos e industriais, queima natural ou intencional de madeira e plantações, drenagens pluviais urbanas, combustão incompleta de óleo combustível e processos naturais que incluem transformações diagenéticas de produtos naturais (ceras epicuticulares de plantas superiores, algas, plânctons) e exsudações naturais. Portanto, a caracterização dos hidrocarbonetos associada à sua correlação a fontes conhecidas torna-se extremamente importante em amostras ambientais, independente da dificuldade inerente a esta tarefa. O desafio recai não apenas na complexidade das amostras, bem como nos efeitos de transformação sobre a composição dos óleos derramados ou do efluente descartado no meio ambiente. A identificação de uma fonte específica dos hidrocarbonetos é geralmente difícil, pois a caracterização pode ser obscurecida pelos hidrocarbonetos provenientes de outras fontes. Por isto, torna-se imprescindível a utilização de ferramentas que possibilitem a determinação das fontes de hidrocarbonetos. Dentre elas destacam-se as razões diagnósticas dos hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA), também conhecidas como índices composicionais dos HPA (Wang et al., 1999; Yunker et al., 2002) e a análise de componentes principais de HPA (Yunker et al., 2000). Os HPA, compostos com anéis aromáticos com ou sem ramificações saturadas, configuram uma classe importante de compostos orgânicos presentes na composição do petróleo, apesar de sua baixa concentração em relação aos outros hidrocarbonetos constituintes do petróleo. Sua importância recai no fato de serem compostos com menor suscetibilidade a degradação no meio ambiente, constituindo então uma classe de marcadores geoquímicos ambientais extensamente utilizada nos estudos científicos, permitindo sua aplicação em investigações forenses (Neff, 2002; Stout et al., 2002; Stout and Wang, 2007; Bence et al., 2007; Douglas et al. 2007; Meniconi and Barbanti, 2007). -

31 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura Hidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos Os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA) são uma extensa série de compostos de ocorrência ubiquoa (Neff, 1979), isto é, estão presentes em todos os ambientes terrestres e marinhos, constituindo uma importante classe de compostos orgânicos extensamente investigados na literatura científica não apenas pela sua abundância, mas também face ao seu potencial efeito tóxico aos organismos dos ecossistemas naturais. Os HPA são uma família de moléculas constituídas unicamente de carbono e hidrogênio, com estrutura aromática de 2 ou mais anéis condensados, cada anel com 5 ou 6 átomos de carbono (HPA parentais) e podem apresentar ramificações constituídas de cadeias hidrocarbônicas alifáticas, sendo denominados HPA alquilados. Os HPA mais estudados na literatura recente são os compostos de 2 até 6 anéis aromáticos. Os compostos heterocíclicos contendo enxofre como os benzotiofenos, dibenzotiofenos e suas séries alquiladas têm sido também investigados face sua igualmente extensa ocorrência em amostras ambientais e similaridade química e funcional aos HPA. Por conveniência, estes compostos serão mencionados daqui para frente como simplesmente HPA. A Figura 2.1 ilustra as fórmulas estruturais e a nomenclatura IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) dos 16 HPA parentais prioritários segundo a agência de proteção ambiental americana (USA-EPA: Environmental Protection Agency) e a Figura 2.2 apresenta as estruturas e nomes dos HPA mais frequentemente reportados na literatura, incluindo os 16 HPA prioritários, os compostos alquilados, a série dos dibenzotiofenos, o benzo(e)pireno e o perileno. Ainda na Figura 2.2 é apontada a região de baía do benzo(a)pireno como exemplo da região côncava dos HPA. Esta região viabiliza reações enzimáticas importantes de processos de biotransformação dos HPA, conferindo uma forte capacidade de ligação destes compostos com o DNA. Os HPA analisados neste estudo e suas abreviaturas estão listados no Anexo A. -

32 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura (1) Naftaleno; (2) Acenaftileno (3) Acenafteno (4) Fluoreno (5) Fenantreno (6) Antraceno (7) Fluoranteno (8) Pireno (9) Benzo (a) antraceno (10) Criseno (11) Benzo (b) fluoranteno (12) Benzo (k) fluoranteno (13) Benzo (a) pireno (14) Indeno (1,2,3-cd) pireno (15) Dibenzo (a,h) antraceno (16) Benzo (g.h.i) perileno Figura 2.1. Estruturas e nomenclatura dos HPA parentais prioritários da EPA. -

33 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 11 CH 3 CH 3 C 2 H 5 Naftaleno 2-Metilnaftaleno CH 3 1- Metilnaftaleno CH 3 Bifenil 2-Etilnaftaleno CH 3 H 3 C CH 3 CH 3 H 3 C CH 2,6-Dimetilnaftaleno 3 1,3-Dimetilnaftaleno 1,7-Dimetilnaftaleno 2,3-Dimetilnaftaleno Acenaftileno CH CH 3 3 CH 3 H 3 C CH H 3 C 3 H 3 C 1,5-Dimetilnaftaleno CH 3 Acenafteno H 3 C 1,6,7-Trimetilnaftaleno H 3 C CH 3 H 3 C 1,4,6-Trimetilnaftaleno 2,3,6-Trimetilnaftaleno CH 3 H 3 C CH 3 CH 3 CH 3 2,3,5-Trimetilnaftaleno CH 3 H 3 C H 3 C CH 3 S Fluoreno 1,4,5-Trimetilnaftaleno 1,2,3,4-Tetrametilnaftaleno Dibenzotiofeno CH 3 S S S CH 3 CH 3 Fenantreno Antraceno 1-Metildibenzotiofeno 3-Metildibenzotiofeno 4-Metildibenzotiofeno CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 9-Metilfenantreno 2-Metilfenantreno 1-Metilfenantreno S CH 3 H 3 C 2,3-Dimetildibenzotiofeno 2,7-Dimetilfenantreno CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 3,6-Dimetilfenantreno Fluoranteno Pireno CH 3 2,3,5-Trimetilfenantreno Benzo(a)antraceno Região de baía Criseno Benzo(b)fluoranteno Benzo(k)fluoranteno Benzo(e)pireno Benzo(a)pireno Perileno Indeno[1,2,3-c,d]pireno Dibenzo(a,h)antraceno Benzo(g,h,i)perileno Figura 2.2. Estruturas e nomenclatura de HPA parentais e alquilados mais frequentemente investigados na literatura e região de baía do benzo(a)pireno (Fonte: adaptado de Silva, 2005). -

34 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura Comportamento dos HPA no Ambiente Marinho e seus Metabólitos Propriedades físico-químicas dos HPA Algumas propriedades físico-químicas de alguns HPA estão apresentadas na Tabela 2.1. Estes compostos são inertes quimicamente e são encontrados na forma sólida na temperatura ambiente, apresentando pontos de ebulição (218 a 496ºC) e de fusão (80 a 262ºC) elevados. De um modo geral apresentam volatilidade relativamente baixa face à baixa pressão de vapor, exceto os compostos de menor massa molar (Mackey et al., 1992). As propriedades físico-químicas dos HPA são importantes uma vez que vão determinar a sua distribuição e comportamento dentro dos diferentes compartimentos ambientais existentes: atmosfera, água, solo e sedimento e, por conseguinte, auxiliar nos estudos de avaliação do comportamento e intemperismo destes compostos no meio ambiente, isto é, da alteração dos mesmos como conseqüência da combinação dos processos de evaporação, dissolução, degradação biológica, foto-oxidação e sedimentação (Stout et al., 2002; Neff, 2002; Stout and Wang, 2007). Como pode ser observado na Tabela 2.1, a solubilidade dos HPA na água é baixa (a solubilidade do naftaleno é 31 mg L -1 ) e diminui com o aumento de sua massa molar (até 4 ordens de magnitude entre os compostos de 2 a 6 anéis). Segundo McElroy e colaboradores (1989), a temperatura e a salinidade apresentam também alguma influência sobre a solubilidade destes compostos, porém em menor magnitude que a massa molar. Dados experimentais reportam aumento da solubilidade de duas a cinco vezes para uma faixa de variação de temperatura entre 5 a 30 C, dependendo do composto. Em relação à salinidade, a variação entre 0 a 36%o pode reduzir a solubilidade dos HPA por um fator máximo de dois. Esta baixa influência da salinidade na solubilidade dos HPA, determinada em laboratório, foi confirmada com dados de campo obtidos em amostras de água do estuário Tamar, na Inglaterra (Readman et al., 1982). Devido a sua solubilidade limitada na água e natureza hidrofóbica (avaliada através do parâmetro Kow coeficiente de partição octanol-água), a concentração dos HPA dissolvidos na água (associados à matéria -

35 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 13 orgânica dissolvida presente na água) é muito baixa. Devido a estas características, os HPA tendem a se adsorver em material orgânico natural sólido disponível na água (presente nas partículas ou colóides em suspensão) e subsequentemente, depositados nos sedimentos de rios, lagos e águas marinhas (Gearing et al, 1980, McElroy et al, 1989, Cerniglia and Heitkamp, 1989). A relevância dos sedimentos como depósitos de HPA tem sido amplamente documentada na literatura (Neff, 1979; Wakeham and Farrington, 1980c; Gschwend and Hites, 1981; Boehm and Farrington, 1984, NRC, 1985; Sicre et al, 1987; Kennicutt II et al, 1994; Lipatou and Albaigés, 1994, Page et al, 1995, Garrides et al, 1995, Budzinki et al, 1997; Yunker et al, 2000), conferindo a este compartimento como o mais adequado para o estudo de HPA. -

36 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 14 Tabela 2.1. Propriedades físico-químicas dos HPA prioritários e distribuição de anéis segundo Mackay et al (1992). HPAs Nº de Anéis MM a (g mol -1 ) PF b ( C) (1) PE c ( C) (1) Solubilidade em água d (mg L -1 ) à 25 C (2) Log K ow e (2) Log K oc f (2) Log K d g (2) Pressão de vapor h (Pa a 25 C) (2) Constante Henry i Atm.m 3 /mol 10-6 ar/água (2) 1 Naftaleno ,8 3,4 3,0 1,7 10, Acenaftileno ,1 4, Acenafteno ,7 3,9 3,7-0, Fluoreno ,98 4,2 3,9-9x Fenantreno ,2 4,6 4,2 2,7 1,8x ,3 6 Antraceno ,29 4,57 4,4 2,7 7,5x ,7 7 Fluoranteno ,26 5,2 4,9 3,7 1,2x ,6 8 Pireno ,15 5,2-3,7 8,86x Benzo (a) antraceno ,1x10-2 5,84-4,2 7,3x Criseno x10-3 5,84-4,2 5,7x Benzo (b) fluoranteno ,5x10-3 6,6 5,2 5, Benzo (k) fluoranteno ,6x10-4 6,8 5,9 4,9 6,0x10-7 0,7 13 Benzo (a) pireno ,8x10-3 6,4 6,0 4,9 7,3x10-7 0,4 14 Indeno (1,2,3-cd) pireno ,9x10-4 6,6 6,8 5,6-0,3 15 Dibenzo (a,h) antraceno ,1x10-4 6,7 6,1 5,6 3,7x ,05 16 Benzo (g.h.i) perileno ,5x10-3 7,04 5,6 6,0x a b c MM: Massa Molar PF: Ponto de fusão PE: Ponto de ebulição d Solubilidade de uma substância em água é a concentração mássica desta substância na água e Kow: coeficiente de partição n-octanol/água definido como a razão entre as concentrações de equilíbrio da substância nas 2 fases constituídas de solventes que não se misturam K oc: coeficiente de partição carbono orgânico/água definido como a razão entre a quantidade adsorvida de um composto por unidade de massa de carbono orgânico do solo ou sedimento e a concentração deste mesmo composto em solução aquosa em equilíbrio g Kd: coeficiente de partição sedimento/água definido como a razão entre a concentração de um elemento adsorvido no sedimento e a concentração deste mesmo elemento em solução aquosa em equilíbrio h Pressão de vapor: pressão de saturação de uma substância líquida ou sólida Contante de Henry traduz a propriedade de uma substância em se distribuir entre 2 fases de um sistema binário ar/água (25 C) (1) Louro, 1997 (2) Mazeas, f i

37 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura Ciclos Geoquímico e Biológico dos HPA no Meio Ambiente Conforme já mencionado, os HPA são compostos ubíquos no ambiente e esta característica pode ser explicada tanto pela multiplicidade de suas fontes quanto pela sua estabilidade e transporte a longas distâncias, (Neff, 1979, MacDonald et al, 2000a e b, Yunker, 2002). Eles podem estar presentes nos compartimentos água, sedimento e atmosfera. Na água, podem estar dissolvidos (associados à matéria orgânica dissolvida) ou adsorvidos às partículas ou colóides em suspensão. No sedimento, podem ser encontrados adsorvidos sobre as partículas ou dissolvidos na água intersticial. Na atmosfera, os HPA podem estar na forma gasosa ou adsorvidos sobre o material particulado atmosférico. Um esquema simplificado das diversas origens e dos processos de transporte e transformação dos HPA no meio ambiente encontra-se ilustrado na Figura 2.3. O transporte dos HPA dentro do meio ambiente pode ocorrer de várias formas. O transporte atmosférico é importante, pois permite percorrer longas distâncias, podendo inclusive cruzar oceanos (Macdonald et al, 2000b, Simoneit, 2000). Do compartimento atmosférico, os HPA podem ser transferidos e depositados para os ambientes continental e marinho. A transferência destes compostos do ambiente continental para o marinho pode ocorrer, subsequentemente, através da erosão dos solos seguido do transporte fluvial. Ao longo de todo seu transporte, os HPA podem passar por transformações através de mecanismos físicos, químicos e biológicos. Os HPA, quando presentes na superfície da água ou durante o processo de sedimentação, podem ser fotooxidados dentro da zona fótica ou biodegradados por bactérias (Cerniglia and Heitkamp, 1989). Estão sujeitos também a evaporação, com perdas seletivas dos compostos de baixa massa molar (abaixo de 150 unidades de massa atômica) e baixo ponto de ebulição (abaixo de aproximadamente 175 C) (Stout et al, 2002). -

38 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 16 Fontes de HPA Transporte atmosférico Deposição Transporte e transformação dos HPA Queima de Florestas e Plantações Rejeitos industriais Lixiviado de solos Rejeitos relativos a transporte Transporte fluvial Rejeitos urbanos Foto - oxidação Rejeitos relativos a atividade de exploração de petróleo Derrame acidental de óleo Metabolização Excreção Deposição de material fecal Advecção Sedimentação Degradação bacteriana Bioacumulação Esxudação natural Re-suspensão Diagênese da matéria orgânica Jazida de petróleo Degradação bacteriana Figura 2.3. Esquema de origem, transporte e transformação dos HPA no meio ambiente (adaptado de Nadalig, 1998). -

39 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 17 Uma metodologia de predição de evaporação de óleo ou derivados de petróleo foi desenvolvida por Fingas (2001b), considerando perda mássica do óleo a 180 C na curva de destilação, a temperatura ambiente e o tempo de exposição. Alguns óleos seguem a equação logarítima (1) e outros seguem a equação de raiz quadrada (2). Equação logarítima: % evaporação = 0,165 (%D) + 0,045 (T 15) ln(t) (1) Equação de raiz quadrada: % evaporação = [0,0254 (%D) + 0,01 (T 15) (tempo)] (2) Onde %D é a percentagem mássica destilada do óleo a 180 C, T é a temperatura ambiente ( C) e t é o tempo (minutos). Quando depositados nos sedimentos marinhos, os HPA podem também sofrer biodegradação por ação de bactérias hidrocarbonoclásticas e fungos (Cerniglia and Heitkamp, 1989, Juhasz et al, 1997, Cerniglia, 1992, Nadalig, 1998, Luo et al, 2005). Esta degradação biológica dos HPA, no entanto, depende de fatores tais como disponibilidade de nutrientes, existência de substratos alternativos, concentração dos HPA e concentração dos microorganismos (E & P FORUM, 1994). Depende também do número de anéis na estrutura: quanto menor o número de anéis, maior a taxa de degradação do composto. Portanto, com o acréscimo da massa molecular dos compostos a resistência à degradação aumenta (Stout et al, 2002, Page et al, 1995, Bence et al, 1996). O grau de alquilação é outro fator que influencia na taxa de degradação dos HPA, sendo também inversamente proporcional: quanto menor alquilação, maior a taxa de degradação do composto (Bailey et al, 1973, Cerniglia and Heitkamp, 1989; Bence et al, 1996, Macdonald et al, 2000b). Importante também mencionar que as taxas de biodegradação em sedimentos contaminados com HPA é mais elevada que em sedimentos pristinos possivelmente devido a adaptações na população microbiana por exposição crônica aos HPA, resultando em maior resistência a -

40 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 18 toxicidade ou no aumento da habilidade em usar os HPA como substratos (Cerniglia and Heitkamp, 1989). Amostras ambientais contendo HPA que sofreram intemperismo apresentam uma distribuição característica destes compostos, diferente daqueles contendo HPA sem alterações provocadas por evaporação, dissolução, degradação biológica ou foto-oxidação. Isto pode ser observado na Figura 2.4 de duas formas: a abundância relativa dos naftalenos diminui em relação aos fluorantenos, fenantrenos, dibenzotiofenos e crisenos, pois os primeiros são mais susceptíveis a degradação ; o padrão de distribuição dos isômeros dos naftalenos, fenantrenos e dibenzotiofenos se altera: passa de uma distribuição gaussiana, com concentração máxima nos isômeros alquilados com 2 e 3 carbonos (C2 e C3 HPA alquilados) para uma distribuição crescente com concentração máxima para o isômero de maior alquilação (HPA parental < C1 <C2 < C3 < C4). Isto ocorre porque os isômeros de maior alquilação são mais resistentes à degradação (Sauer and Uhler, ; Stout et al, 2002, Page et al, 1995). Figura 2.4. Variação da distribuição dos HPA em amostra de sedimento de Prince William Sound, Alaska, após acidente do navio Exxon Valdez face ao intemperismo. a) amostra do óleo derramado cru 1989; b) amostra de sedimento da linha de costa 1989 (adaptado de Page et al.,1995). Abreviaturas no Anexo A. -

41 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 19 A avaliação desta alteração no padrão de distribuição dos HPA devido ao processo diferenciado de degradação entre os compostos é geralmente acompanhada através da razão entre C2 Criseno e C2 Fenantreno uma vez que o criseno é mais resistente a este processo que o fenantreno (Figura 2.5). Desta forma, com o tempo, a razão C2 Criseno/C2 Fenantreno aumenta. O mesmo pode ser observado para a razão C2 Criseno/C2 Dibenzotiofeno (Page et al, 1995, Wang et al., 1999, Stout et al, 2002, Bence et al., 2007). A razão entre os naftalenos alquilados (alquil N) e o total de HPA também pode ser utilizada para acompanhar a evolução do intemperismo, apresentando um comportamento inverso à razão C2 Criseno/C2 Fenantreno uma vez que os naftalenos alquilados são mais rapidamente degradados que as demais HPA. Figura 2.5. Evolução da razão C2 Criseno/C2 Fenantreno para amostras do óleo derramado do navio tanque Exxon Valdez no Alasca ao longo do tempo (adaptado de Page et al., 1995). Abreviaturas no Anexo A. As características do ambiente marinho também influenciam na distribuição dos HPA no meio ambiente. O teor de carbono orgânico nas partículas em suspensão ou no sedimento é um parâmetro importante, pois observa-se que, quanto mais ricos em carbono orgânico forem os sedimentos ou partículas, mais forte é a afinidade dos HPA por estes compartimentos (Knezovich et al., 1987). -

42 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 20 A distribuição da granulometria do sedimento é também outro parâmetro que se deve levar em conta. Os sedimentos mais finos, com uma surperfície de adsorção mais elevada, tendem a apresentar maior afinidade com os HPA que os sedimentos com maior granulometria. Além disso, dentre os HPA, os compostos de maior massa molar são concentrados preferencialmente nos sedimentos finos. Com isso, existe uma tendência de maior concentração de HPA de massa molar mais elevada em sedimentos finos (Prahl and Carpenter, 1983; Raoux and Garrigues, 1993; Gobas and Zhang, 1994). Ainda sobre as características do ambiente marinho que podem influenciar na distribuição dos HPA, vale ressaltar que o tempo de contato entre estes compostos e sedimentos envelhecidos abaixo da superfície fortalece as interações contaminantematriz; e com isto constata-se uma diminuição da disponibilidade dos HPA ao longo da profundidade da coluna sedimentar (Harkey et al., 1995). Ao longo de todo o ciclo geoquímico dos HPA no ambiente, estes compostos podem estar disponíveis aos organismos. A disponibilidade dos HPA dissolvidos na coluna d água é maior que a dos HPA adsorvidos em sedimentos e partículas (Neff, 1984). Após absorção pelos organismos, os HPA podem se transferir e ser retidos nos órgãos ricos em lipídios, podendo ocorrer a bioacumulação. A absorção dos HPA presentes no sedimento por organismos aquáticos pode ocorrer através da via alimentar (caso dos organismos bentônicos) ou através da absorção pela pele (Bailey et al., 1973). Alguns organismos aquáticos podem também filtrar os sedimentos através das brânquias. A disponibilidade dos HPA aos organismos varia em função da maneira de viver dos mesmos. Os organismos que vivem na região entremaré estão mais expostos aos HPA que os que vivem em águas profundas face ao maior número de fontes destes compostos. Os organismos fixos filtrantes (mexilhões, ostras), uma vez expostos aos HPA, tendem a acumulá-los em seu tecido e por isso são comumente utilizados como organismos sentinelas (Farrington et al., 1983, Baumard et al., 1998a, b, c, d, Varanasi et al., 1990, Sericano et al., 1995, O Connor, 1996, NOAA, 1997, Wade et al., 1998, Durell et al., 2000, Francioni, 2001). Os invertebrados bênticos (poliquetas, caranguejos, lagostas, camarões) quando -

43 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 21 expostos aos HPA depositados nos sedimentos marinhos podem acumular estes compostos em seus tecidos e posteriormente transferi-los aos organismos da cadeia trófica imediatamente acima deles, porém esta transferência é interrompida pelos organismos marinhos vertebrados (peixes, mamíferos) e o processo de biomagnificação dos HPA nos níveis tróficos superiores da cadeia alimentar não ocorre. Os HPA são metabolizados por estes organismos, secretados na bile e, subsequentemente, excretados no trato alimentar (Buhler and Williams, 1989, Foureman, 1989, Broman et al., 1990, Varanasi and Stein, 1991, E & P Forum, 1994; ONU, 1999; Saxton, 1993; NOAA, 1989; Krahn et al., 1992, NOAA, 1993; UNEP, 1999). Portanto, a concentração/acumulação dos HPA nos tecidos dos organismos aquáticos é governada por um fenômeno complexo: resulta do equilíbrio entre a aquisição (uptake) dos HPA (que depende da biodisponibilidade do contaminante e do tipo de dieta do organismo) e sua depuração (que depende da capacidade de biotransformação do organismo em relação à cadeia trófica). A Figura 2.6 apresenta de forma simplificada este processo. O uptake é governado primeiramente pela biodisponibilidade, que por sua vez, está associado com sua solubilidade na água. Como os HPA são hidrofóbicos, tendem a adsorver em partículas e com isto sua solubilidade decresce (Neff, 1979). Além disso, como a solubilidade dos HPA decresce com o aumento da massa molar, a sua bioacumulação nos organismos é geralmente maior para os compostos de menor massa molar que apresentam maior solubilidade em água (Djomo et al., 1996). O uptake é governado também pelo tipo de dieta do organismo: a acumulação dos HPA em organismos que se alimentam diretamente do sedimento ou vivem em contato íntimo com o sedimento, mais expostos aos contaminantes, é maior que em organismos que se alimentam de outros organismos, como os carnívoros, por exemplo, que estão menos expostos aos HPA (Baumard et al., 1998a). E finalmente, organismos de distintos níveis tróficos acumulam, de forma diferente, os HPA assimilados devido às suas diferentes capacidades de -

44 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 22 biotransformação. À medida que se sobe na cadeia trófica, maior é a capacidade de biotransformação/ metabolização dos HPA e, portanto, menor acúmulo dos mesmos (Buhler and Williams, 1989, Foureman, 1989, Broman et al., 1990, E & P Forum, 1994). Ocorrem também diferentes taxas de biotransformação dos HPA, sendo as maiores taxas para compostos de massa molar mais elevada. Assim, subindo na cadeia trófica, a tendência é haver uma discriminação dos HPA de elevada massa molar, isto é, um acúmulo preferencial dos HPA de baixa massa molar (Broman et al., 1990). Exposição Absorção Depuração Bioacumulação OH Biotransformação (Metabólitos) OH 1-Hidroxinaftaleno Toxicidade Figura 2.6. Processo de transformação dos HPA em organismos aquáticos. Em decorrência da elevada capacidade de metabolização apresentada pelos peixes, os teores de HPA em seus tecidos, quando expostos à estes compostos, são usualmente baixos (Krahn et al, 1986a; Varanasi et al, 1989; Varanasi and Stein, 1991; van der Oost et al, 2003). Portanto, torna-se mais adequada a determinação dos teores dos metabólitos dos HPA para uma avaliação do nível de exposição destes organismos. Os metabólitos dos HPA têm sido extensamente analisados na bile de peixes através de metodologias já consagradas (Krahn et al, 1986a e b, Krahn et al, 1987, Krahn et al, 1992, Krahn et al, 1993a,b, van der Oost et al., 1994, Ruddock et al., 2002, Richardson et al., 2001, Mazeas, 2004, Budzinski et. al, 2004, Silva, 2005, Silva et al, 2006, Le Dû et al, 2006, Vuorinen et al., 2006). São classificados de acordo com NRC (National Research Council) (1987) e WHO (World Health Organization) (1993) como biomarcadores de exposição, isto é, moléculas -

45 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 23 resultantes da interação dos HPA com o organismo vivo (resposta biológica), medido dentro do organismo ou em seus fluidos biológicos; um sinal precoce de exposição de organismos à contaminação de HPA. Dados da literatura corroboram a correlação entre a concentração de metabólitos na bile de peixes e a concentração de HPA no meio ambiente (Khran et al, 1992, Khran et al, 1993, Yu et al, 1995). Collier and Varanasi (1991) ressaltam, no entanto, que o nível de metabólitos na bile se apresenta como melhor indicador quando os organismos são expostos a concentrações elevadas de HPA, não se mostrando, em geral, sensível quando expostos a baixos níveis destes contaminantes. A conexão entre os níveis externos, os níveis internos dos tecidos/fluídos dos organismos e os efeitos adversos iniciais de exposição aos HPA precisa ser estabelecida para uma avaliação criteriosa de riscos do ambiente contaminado com estes compostos. O estabelecimento do impacto dos HPA sobre o ambiente aquático tem sido extensamente estudado na literatura, mas ainda não totalmente determinado (van der Oost et al, 2003). -

46 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura Biotransformação dos HPA (Metabólitos) e sua Toxicidade Os HPA, conforme já mencionado anteriormente, são moléculas de estruturas relativamente simples (plana e altamente conjugada) e inertes, porém são classificados como compostos químicos mutagênicos e carcinogênicos. Para exercer seus efeitos mutagênicos ou carcinogênicos, os HPA requerem, no entanto, sua ativação metabólica, que pode ocorrer através de metabolismos dentro de organismos vivos (Harvey, 1991; Miller, 1978, Miller and Miller, 1996; Golddstein and Faletto, 1993, Harris, 1991). Os HPA, uma vez absorvidos pelos organismos vivos, passam por um processo de biotransformação (metabolização) que ocorre no fígado, hepatopâncreas, estômago ou glândula digestiva, dependendo de tratar-se de peixes, crustáceos ou moluscos (Singer and Lee, 1977, James, 1989; Livingstone, 1989, Deshpande et al, 2002). Dentre os diversos mecanismos para a ativação metabólica dos HPA propostos na literatura (Xue and Warshawsky, 2005), três são mais estudados: oxidação dos HPA por reação enzimática em três etapas, catalisada pelo citocromo P450 na região de baía (côncava) dos HPA, gerando compostos eletrofílicos tais como os diol-epóxidos (epóxidos, dihidrodióis, fenóis) capazes de se ligarem com DNA e de se associarem a substratos hidrosolúveis endógenos como glutationa, glucuronida, aminoácidos (aceito como o mecanismo carcinogênico mais dominante); oxidação com remoção de um eletron da molécula de HPA e formação do radical catiônico ; oxidação dos HPA catalisada pelo dihidrodiol dehidrogenase (DD) com formação de orto-quinonas (Harvey, 1991; Cavalieri and Rogan, 1992; Penning et al, 1999). -

47 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 25 Como pode ser observado na Figura 2.7, o processo enzimático de ativação metabólica dos HPA catalisado pelo citocromo P450 (mecanismo mais dominante) é realizado em 2 etapas: funcionalização e conjugação. Inicialmente os HPA transformam-se em compostos eletrolíticos tais como epóxidos, fenóis, dihidrodiols, quinonas, diols, triols e quatriols através da ação de enzimas mono-oxigenases citocromo P 450. Esta etapa é conhecida como fase de funcionalização, ou fase I (Buhler and Williams, 1989). Em seguida, na etapa de conjugação, ou fase II, os compostos formados na fase I se ligam com grupamentos hidrofílicos tais como o ácido glucorônico, sulfatos, glutationa, formando produtos conjugados hidrofílicos para favorecer a sua excreção (Foureman, 1989). Os principais conjugados formados por peixes são os glucoronídeos e glutationideos (George, 1994). A Figura 2.8 ilustra as estruturas e nomenclaturas dos principais metabólitos livres de HPA e alguns metabólitos conjugados formados através do processo de biotransformação dos HPA. D E S I N T O X I C A Ç Ã O Fase I Fase II HPA hidrofóbicos Metabólitos Eletrofílicos Metabólitos Conjugados hidrofílicos Funcionalização Conjugação Efeitos Tóxicos Excreção Figura 2.7. Esquema da ativação metabólica de HPA através de oxidação por reação enzimática. -

48 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 26 OH OH OH HO 1-Hidroxinaftaleno 2-Hidroxinaftaleno 2-Hidroxibifenil 9-Hidroxifluoreno HO OH OH 9-Hidroxifenantreno 1-Hidroxipireno 1-Hidroxicriseno OH 1-Hidroxibenzo(a)pireno 3-Hidroxibenzo(a)pireno A Conjugação ao ácido Glucorônico Conjugação ao Sulfato Conjugação a Glutationa B Figura 2.8. Estruturas e nomenclaturas de metabólitos livres (A) e conjugados (B) de HPA. -

49 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 27 A toxicidade dos HPA está relacionada com a sua capacidade de produzir efeito deletério a um organismo e a mutagenicidade e a carcinogenicidade são as propriedades tóxicas mais estudadas nos HPA. Estão relacionadas com os compostos eletrofílicos formados na fase I da biotransformação dos HPA, que não são convertidos a conjugados hidrofílicos, podem se ligar com DNA, RNA ou proteínas e, subsequentemente, induzir mutações genéticas e tumores cancerígenos (Miller and Miller, 1996; Pahlman and Pelkonen, 1987; Varanasi et al., 1989; Harvey et al., 1991 e 1999; Nesnow et al., 2002; Neff, 2002). Dentre os HPA, o Benzo(a)antraceno, o Benzo(a)pireno e Dibenzo(a,h)antraceno são considerados os mais tóxicos, classificados como provavelmente cancerígenos ao homem pela organização internacional IARC (International Agency for Research on Cancer) e pela US-EPA (Environmental Protection Agency) (Tabela 2.2), seguidos pelo Benzo(b)fluoranteno, Benzo(k)fluoranteno e Indeno(1,2,3-cd)pireno, classificados como possivelmente cancerígenos ao homem. Segundo o Programa Internacional de Segurança Química (IPCS) estes compostos, juntamente com o Benzo(j)fluoranteno e o Criseno, são classificados como cancerígenos à mamíferos. Tabela 2.2. Classificação dos HPA de acordo com seu potencial carcinogênico. Composto Carcinogenicidade IARC a USA-EPA b IPCS c IARC a : Naftaleno 2B C (?) 1: Carcinogênico ao homem Aceftileno D 2A: Provavelmente carcinogênico ao homem Fenantreno 3 D - 2B: Possivelmente carcinogênico ao homem Antraceno 3 D - 3: Não classificado Fluoranteno 3 D (+) b USA-EPA: Pireno 3 D (?) A: Carcinogênico ao homem Benzo(a)antraceno 2A B2 + B1 e B2: Provavelmente carcinogênico ao homem Criseno 3 B2 + C: Possivelmente carcinogênico ao homem Benzo(b)fluoranteno 2B B2 + D: Não classificado Benzo(k)fluoranteno 2B B2 + E: Provavelmente não carcinogênico Benzo(j)fluoranteno 2B + c IPCS: Benzo(a)pireno 2A B2 + +: efeito positivo Indeno(1,2,3-c,d)pireno 2B B2 + -: efeito negativo Dibenzo(a,h)antraceno 2A B2 +?: incerto Benzo(ghi)perileno 3 D ( ): resultado derivado de número pequeno de dados -

50 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura Critérios de Qualidade Ambiental: Valores Orientadores de HPA Em função de seu potencial carcinogênico e mutagênico, as instituições governamentais em diversos países do mundo selecionaram, dentre vários compostos, alguns HPA como contaminantes prioritários a serem avaliados nos diversos compartimentos ecológicos (solo, sedimento, água e atmosfera) e estabeleceram valores orientadores e de referência para estes ambientes. As Tabelas 2.3 e 2.4 reportam as concentrações limites dos HPA nos corpos d água e sedimentos nos EUA e no Canadá ( Para sedimentos marinhos, alguns critérios de qualidade podem ser destacados: a NOAA estabelece a concentração total de HPA de 4022 ng g -1 como ERL effects range-low, a partir da qual a toxicidade poderia ser observada em espécies sensíveis e a concentração total de HPA de ng g -1 como PEL probable effects level, acima da qual se espera que ocorram frequentemente efeitos adversos. Segundo Long e colaboradores (1995), concentrações entre 4022 e ng g -1 representam uma faixa na qual efeitos adversos biológicos poderiam ocasionamente ocorrer em sedimentos marinhos e estuarinos. Kennicutt (1995) utilizou esta concentração de HPA de 4022 ng g -1 como limítrofe para ambientes contaminados no estudo conduzido em Casco Bay, Maine. O Canadá estabelece, também para sedimentos marinhos, a concentração total de HPA de 7070,9 ng g -1 como PEL probable effects level, acima da qual é provável que ocorram efeitos adversos na biota. Estabelece também o nível de HPA total de 766 ng g -1 como ISQG (interim sediment quality guideline), guia de qualidade de sedimento interino, valor usado quando dados são limitados, visando proteger todas as formas de vida marinha em todos os aspectos de seus ciclos de vida e por um tempo de exposição às substâncias químicas indefinido. Dentro dos critérios de qualidade estabelecidos pela NOAA para a água marinha, verifica-se concentração máxima para cada HPA na faixa de 300 g L -1, -

51 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 29 exceto para acenafteno e naftaleno, cujos valores são 970 e 2350 g L -1, respectivamente. No Brasil, o Conselho Nacional do Meio Ambiente através da Resolução CONAMA nº 357, de 17 de março de 2005 (CONAMA, 2005), define as concentrações de alguns HPA em águas doces, salinas e salobras de acordo com sua classificação de padrões de qualidade da água, que varia conforme seus usos preponderantes (Tabela 2.5). Observa-se que em águas doces e salgadas onde existe o cultivo de organismos para consumo humano (classe I, tabela II para águas doces e classe 1, tabela V para águas salinas, respectivamente) os teores máximos dos HPA individuais são bastante restritivos: 0,018 g L -1. A Cetesb (Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental de São Paulo) estabelece valores orientadores de diversos HPA para solos e águas subterrâneas como referência para intervenção (Cetesb, 2005). Os valores para solos encontram-se na Tabela 2.6, onde se observa, por exemplo, que a concentração máxima de Benzo(a)pireno é 0,4 mg Kg -1 (400 ng g -1 ). -

52 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 30 Tabela 2.3. Valores orientadores de concentrações de HPA em sedimentos (marinhos e de água doce) e na coluna d água (água doce e marinha) nos EUA (NOAA Squirts Composto Nível limite de efeito (TEL) 1 Sedimento de Água Doce (ng g -1 ) Nível de efeito provável (PEL) Limite superior de efeitos (UET) Nível limite de efeito (TEL) Sedimento de Água Marinha (ng g -1 ) Faixa de efeitos baixos (ERL) Limite aparente de efeitos (AET) Nível provável de efeitos (PEL) Água Marinha ( g L -1 ) Critério de concentração máxima CMC Acenafteno , ,9 970 Acenaftileno , , Antraceno ,85 85, Benzo(k)fluoranteno 27, Benzo(a)pireno 32, , , Benzo(b)fluoranteno Benzo(ghi)perileno Benzo(a)antraceno 15, , , Criseno 26, , , Dibenzo(a,h)antraceno ,22 63, , Fluoranteno 31, , ,54 40 Fluoreno , , Indeno(1,2,3-c,d)pireno 17, Metilnaftaleno , , Naftaleno 14, , , Fenantreno 18, , ,53 7,7 Pireno 44, , ,6 300 HPA Total 264, , ,4 300 TEL: representa a concentração abaixo da qual efeitos adversos são esperados apenas raramente PEL: representa o nível acima do qual espera-se que efeitos adversos ocorram frequentemente ERL: representa a concentração na qual a toxicidade pode começar a ser observada em espécies sensitivas UET: representa a concentração acima da qual espera-se que sempre ocorra impacto biológico adverso no ambiente de água doce AET: representa a concentração acima da qual espera-se que sempre ocorra impacto biológico adverso no ambiente marinho CMC: critério de concentração máxima, é o maior nível para uma exposição média de 1 hora e não deve exceder mais do que uma vez a cada três anos, e é um sinônimo para agudo. 1- Hyalella azteca bioassay -

53 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 31 Tabela 2.4. Valores orientadores de concentrações de HPA em sedimentos (marinhos e de água doce), solo e na coluna d água (água doce) no Canadá (Canadian Environmental Quality Guidelines - Composto Sedimento de Água Doce (ng g -1 ) ISQG Nível de efeito provável (PEL) Sedimento de Água Marinha (ng g -1 ) ISQG Nível de efeito provável (PEL) Solo (mg kg -1 ) Água doce ( g L -1 ) Agricultura Vida aquática Acenafteno 6,71 88,9 6,71 88,9-5,8 Acenaftileno 5, , Antraceno 46, , ,012 Benzo(a)antraceno 31, , ,1 0,018 Benzo(a)pireno 31, , ,1 0,015 Benzo(b)fluoranteno ,1 - Benzo(k)fluoranteno ,1 - Criseno 57, Dibenzo(a,h)antraceno 6, , ,1 - Fluoranteno ,04 Fluoreno 21, , ,0 Indeno(1,2,3-e,d)pireno 0,1-2-Metilnaftaleno 20, , Naftaleno 34, , ,1 1,1 Fenantreno 41, , ,1 0,4 Pireno 53, ,1 0,025 PEL: representa o nível acima do qual espera-se que efeitos adversos ocorram frequentemente ISQG: (interim sediment quality guideline) valor usado quando dados são limitados e visando proteger todas as formas de vida marinha Em todos os aspectos de seus ciclos de vida e por um tempo de exposição às substâncias químicas indefinido. -

54 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 32 Tabela 2.5. Padrões de qualidade para HPA das águas do Brasil (CONAMA 357, março de 2005, artigo 14) Composto Classe 1 Tabela I Água Doce ( g L -1 ) Classe 1 * Tabela II Classe 1** Tabela III Classe 1 Tabela IV Água Salina ( g L -1 ) Classe 1* Tabela V Classe 1 Tabela VII Água Salobra ( g L -1 ) Classe 1* Tabela VIII Benzo(a)antraceno 0,05 0,018 0,018 0,018 Benzo(a)pireno 0,05 0,018 0,7 0,018 0,018 Benzo(b)fluoranteno 0,05 0,018 0,018 0,018 Benzo(k)fluoranteno 0,05 0,018 0,018 0,018 Benzo(a)antraceno 0,05 0,018 0,018 0,018 * padrão para corpos de água onde haja pesca ou cultivo de organismos para consumo intensivo ** padrão para potabilidade Tabela 2.6. Valores orientadores de concentrações de HPA em água subterrânea e solos da Cetesb Valor orientador de intervenção CETESB (2005) Naftaleno Fenantreno Benzo(a)antraceno Benzo(a)pireno Dibenzo(a,h)antraceno Indeno(1,2,3-c,d)pireno Águas Subterrâneas (µg L -1 ) Solo (mg kg -1 ) * ,75 0,7 0,18 0, ,4 0,15 2 * peso seco -

55 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura Principais Fontes de HPA no Ambiente Marinho Os HPA encontrados em ambientes marinhos são resultantes de uma mistura de compostos que podem ser provenientes de diversas fontes, de origem natural ou antropogênica (pela ação do homem), e seu aporte pode ocorrer através de descartes diretos ou deposição/precipitação atmosférica indireta Fontes Antropogênicas As principais fontes antropogênicas de HPA são de origem pirolítica e petrogênica. As fontes antropogênicas de HPA de origem pirolítica estão relacionadas majoritariamente à combustão incompleta de combustíveis como carvão mineral, óleo, madeira e gás para geração de energia, aquecimento residencial e transporte veicular (Lee et al., 1977; Prahl and Carpenter, 1983; Ehrhardt and Petrick, 1993, Kennicutt II et al., 1994; Lipatou and Albaigés, 1994; Budzinski et al., 1997, Fraser et al., 1998, Wang et al., 1999, Elias et al., 2000, Readman et al., 2002; Yunker et al., 2000 and 2002). Alguns processos de preparo de alimentos tais como defumação e fritura com óleo de cozinha e queima de incensos também contribuem como fonte pirolítica de HPA (Guillen et al., 2000, Endo et al., 2000, Mazeas, 2004). O padrão de distribuição dos HPA provenientes de fontes pirolíticas se caracteriza pela predominância de compostos parentais não substituídos (Wakeham et al, 1980a, Law and Biscaya, 1994, Page et al, 1995, Bence and Burns, 1995, Bence et al, 1996, Baumard et al, 1998b, Wang et al, 1999, Schauer et al., 1999, Readman et al, 2002, Yunker et al, 2002) e pela maior concentração de HPA de elevada massa molar, de 3, 4 e 5 anéis (Page et al, 1995, Bence and Burns, 1995). As fontes antropogênicas de HPA de origem petrogênica estão relacionadas à utilização do combustível fóssil, petróleo, que é uma mistura complexa de hidrocarbonetos com compostos contendo heteroátomos de nitrogênio, oxigênio e enxofre (NOS), resultante da alteração lenta da matéria orgânica preservada em sedimentos profundos (rochas geradoras) à temperaturas de 100 a 150C e altas -

56 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 34 pressões (Tissot and Welte, 1984; Stout et al., 2002). A Figura 2.9 representa esquematicamente seu processo de formação e seu armazenamento nas camadas geológicas subsuperficiais. O petróleo é uma das mais importantes matérias-prima do mundo moderno, estando relacionado com uma lista extensa de produtos que viabilizam a vida do homem. O aporte dos HPA petrogênicos no ambiente advém dos processos de exploração e produção de petróleo, transporte por navios e tubulações, distribuição de seus derivados, associados aos derrames acidentais, descarte de efluentes industriais e urbanos, e o escoamento de águas pluviais (NRC, 1985, GESAMP, 1993; Page et al, 1995; Fingas, 2001a; Readman et al., 2002; Yunker et al., 2000 and 2002, Stout et al, 2002). Florestas Alagadas Plantas são enterradas com lamas estagnadas Compactação e alteração química Lago ou oceano com nutrientes em abundância Plancton Afundamento de plâncton morto Leito do oceano estagnado Deposição profunda para geração de óleo e gás Lama rica em matéria orgânica Óleo e gás Profundidade ( Km ) Maturidade da rocha geradora Campo de óleo Campo de óleo e gás 1 Temperatura ( ºC) 50 2 Sem óleo ou gás Campo de gás óleo gás óleo e gás Querogêneo carbonizado: sem óleo ou gás Figura 2.9. Processo de formação de petróleo e seu armazenamento. -

57 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 35 As amostras ambientais com predominância em HPA de origem petrogênica apresentam um padrão de distribuição mais complexo que as de origem pirolíticas, consistindo de compostos parentais e alquilados, onde, em geral, os grupos alquilados de 2 e 3 carbonos (C2 e C3 HPA alquilados) são mais abundantes que o HPA parental (Boehm and Farrington, 1984, Sauer and Boehm, 1991, Law and Biscaya, 1994, Sauer and Uhler, ; Page et al, 1995, Bence and Burns, 1995, Yunker et al, 1996, Yunker et al, 1999, Wang et al, 1999, Pereira et al, 1999, Stout et al, 2001, Yunker et al, 2002, Stout et al, 2002). Este padrão de distribuição dos HPA é conhecido como perfil na forma de sino (bell shaped profile) ou distribuição gaussiana. A Figura 2.10 mostra de forma sintética as diferenças acima descritas entre os perfis de distribuição de HPA derivados de material petrogênico e pirolítico, em que os HPA em cor azul claro são alquilados. A literatura reporta, de forma resumida, a introdução de hidrocarbonetos no ambiente marinho mundial através de estudos estatísticos. Segundo Fingas (2001a), a maior contribuição se dá através de despejos industriais e municipais, que atinge 50% do aporte total, seguida da atividade de transporte de petróleo (24%). As fontes naturais e atmosférica são também importantes, consistindo de 11 e 13%, respectivamente. Já as atividades de exploração e produção de petróleo contribuem com apenas com 2%. No entanto, em áreas urbanas e industrializadas verifica-se que a principal fonte de HPA em ambientes aquáticos é a deposição atmosférica de HPA proveniente da pirólise incompleta de combustíveis fósseis (LaFlame and Hites, 1978, Gschwend and Hites, 1981, McElroy et al, 1989, Yunker et al, 2002, Stout et al, 2004, Tolosa et al, 2004). -

58 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 36 Petrogênico Pirolítico Figura Perfis de distribuição de alguns HPA demonstrando as diferenças entre fontes petrogênicas e pirolíticas em função da abundância relativa dos HPA parentais e seus respectivos alquilados adaptado de Stout et al., Os dados para a Baía de Guanabara mostram que a maior contribuição de hidrocarbonetos se dá através do escoamento de esgoto municipal e águas pluviais (57 e 27%, respectivamente), na sua maioria sem tratamento (Ferreira, 1995). Os despejos industriais, inclusive duas refinarias e outras instalações correlatas, atingem 9% do aporte total, enquanto o aporte atmosférico é cerca de 5%. As atividades de transporte de petróleo dentro da baía (onde se incluem os derrames acidentais de óleo e derivados) correspondem a apenas 1% de toda introdução de hidrocarbonetos na região (Ferreira, 1995). -

59 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 37 Dentre os principais aportes de hidrocarbonetos, os derrames acidentais de óleo chamam a atenção face ao seu potencial agudo de contaminação. A Tabela 2.7 revela alguns dos principais acidentes com derrame de óleo e/ou seus derivados ocorridos nos últimos anos, listados de acordo com seu volume, incluindo os acidentes com navios tanque transportadores de petróleo. O vazamento de óleo durante a Guerra do Golfo em 1991 foi a maior ocorrência até a presente data, onde foram derramadas 800 mil toneladas de óleo no Kuwait. O blow out numa plataforma de produção do Golfo do México em 1979 foi responsável pelo vazamento de cerca de 470 mil toneladas de óleo e o acidente com o navio Atlantic Empress no Mar do Caribe resultou no vazamento de 300 mil toneladas de óleo. O acidente ocorrido com o navio Exxon Valdez no Alaska, em 1989, resultou no derramamento de cerca de 37 mil toneladas de óleo, considerado na estatística mundial como um acidente de porte médio. No entanto, a partir deste evento, inúmeros estudos sobre transporte, comportamento e efeito do óleo sobre a biota foram desenvolvidos, fornecendo uma fonte importante de dados para o mundo atual. Para o caso de vazamentos de óleo relacionados com seu transporte no ambiente marinho, pode-se verificar uma tendência natural de diminuição do número de acidentes e da quantidade de óleo derramado ao longo do tempo, segundo dados do International Tanker Owners Pollution Federation ITOPF (2005/2006). Na década de 70 ocorreram, em média, 25 acidentes/ano, seguidos de 9 a 8 acidentes/ano nas décadas subseqüentes. Já entre os anos 2000 e 2004, esta média diminuiu para 3,8 acidentes/ano (Figura 2.11). -

60 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura ,2 eventos/ano em média Derrames/ano Média de 10 anos ,3 eventos/ano em média ,8 eventos/ano em média ,8 eventos/ano em média Número de derrames grandes (acima 700 ton), Quantidade de óleo derramado, Figura Estatística de derrames de óleo segundo ITOPF (adaptado do handbook 2005/2006). Vale ressaltar que o ITOPF possui uma classificação de acidentes com petroleiros em função da quantidade de petróleo derramado. Acidentes com vazamentos até 7 m 3 (aproximadamente 6,3 toneladas) são considerados de pequeno porte. Vazamentos entre 7 e 700 m 3 (aproximadamente 630 toneladas) enquadram-se em acidentes de médio porte e acima de 700 m 3, de grande porte. -

61 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 39 Tabela 2.7. Lista dos principais acidentes com derrame de óleo nos últimos anos. Nome do Navio / Incidente Local Ano Quantidade (toneladas) 1 Guerra do Golfo Kuwait Blowout IXTOC Golfo do México Atlantic Empress Mar do Caribe-Tobago Blowout plataforma de óleo Iran ABT Summer Angola Amoco Cadiz França Odyssey Canadá Heaven Itália Torrey Canyon Inglaterra Ruptura de duto Rússia Urquiola Espanha Braer Reino Unido Sea Empress Reino Unido Aegean Sea Espanha Prestige Espanha / França Tanque de armazenamneto Japão Exxon Valdez Alasca, EUA Tanque de armazenamneto EUA Blowout plataforma México Tanque de armazenamneto Panamá Plataforma off-shore Noruega: Mar do Norte Cosmos A Hong Kong Ruptura de duto Rússia Erika França Tanio França Ann Mildred Broving Alemanha Tanque de armazenamneto Singapura Mega Born EUA Tarik Ibn Ziyad Brasil Plataforma off-shore Arábia Saudita Brazilian Marina Brasil Tanque de armazenamneto República Checa Blowout de poço Uzbekistan Frontier Express Coréia Sea Spray Vietnan Ruptura de duto: Baía de Guanabara Brasil: Rio de Janeiro Ruptura de duto: Rio Iguaçu Brasil: Paraná Fonte: Fingas, 2001a; Mazeas, 2004; Gabardo et al, 2001; Meniconi et al., 2001,

62 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 40 No Brasil, os dois maiores acidentes ocorreram com os navios transportadores de petróleo Tarik Ibn Ziyad (março de 1975, Rio de Janeiro) e Brazilian Marina (janeiro de 1978, São Sebastião), com vazamentos de 12 mil e 10 mil toneladas de óleo, respectivamente (Fingas, 2001a). Em julho de 2000, a ruptura de uma junta de expansão na área de dutos da refinaria Presidente Getúlio Vargas, localizada em Araucaria, Paraná, ocasionou um vazamento de óleo de aproximadamente 4 mil toneladas de óleo, afetando os rios Barigui e Iguaçu (Meniconi et al., 2002). O vazamento acidental na Baía de Guanabara, Rio de Janeiro, em janeiro de 2000 foi ocasionado pela ruptura de uma tubulação que transportava óleo da Refinaria Duque de Caxias para o Terminal da Ilha D água. Vazaram 1292 m 3 (1268 toneladas) de óleo combustível MF 380. A porção majoritária do óleo, transportado por correntes de maré e ventos, espalhou-se sobre a água e alcançou ilhas, linhas de costa, praias e mangues situados na parte nordeste e norte da baía. Após o vazamento foi delineado um estudo diagnóstico para avaliação dos compartimentos água, sedimento e biota da Baía de Guanabara (UFRJ et al., 2000, Gabardo et al., 2001, Meniconi et al, 2001; Meniconi et al., 2002). Neste estudo de diagnóstico realizado na Baía de Guanabara após o acidente, as análises químicas de HPA nas 14 estações de amostras de água estudadas (topo e fundo), coletadas dez dias após o derrame, mostraram resultados de <0,04 a 11,56 µg L -1 em equivalente de criseno (técnica fluorescência de UV) e 1,67 a 5,45µg L -1 por CG-EM (Gabardo et al., 2001). As maiores concentrações de HPA para água foram encontradas em 5 estações localizadas na porção norte/nordeste da baía, as quais estavam de acordo com a observação visual da mancha de óleo. Os níveis de HPA totais nas demais estações da Baía de Guanabara, dez dias após o derrame, encontraram-se, em média, na mesma faixa de estudos reportados para a própria baía e outras áreas costeiras no Brasil (Azevedo, 1998, Hamacher, 1996, Hamacher et al, 2000). Ensaios toxicológicos (Microtox) foram realizados para 3 espécies: Artemia salina, Mysidium gracile e Vibrio fisheri. Estes testes não indicaram toxicidade aguda para qualquer das amostras de água estudadas. -

63 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 41 Para as 57 amostras de sedimento coletadas na região entremarés (exposta na maré baixa) e infralitoral (permanentemente submersa), verificou-se os seguintes resultados: para as 30 amostras da região entremarés os teores de HPA variaram de 15 a 8035 ng g -1 ( 20 HPA); para as 27 amostras do infralitoral, as concentrações de HPA estiveram na faixa de 139 a 9732 ng g -1 ( 20 HPA) (Gabardo et al., 2001). Estas faixas de contaminação por HPA foram similares às faixas de dados pretéritos reportados para a área por Hamacher, 1996 (554 a 1894 ng g -1 ), Lima, 1996 (1564 a ng g -1 ) e Chalaux, 1995 (1051 a 5861 ng g -1 ), estudos estes que quantificaram 17 a 23 compostos. Com relação às análises de HPA dos peixes, foram realizadas coletas de amostras, cerca de 20 dias após o derrame do óleo, de duas espécies (corvina e taínha) que constituem a base comercial da Baía de Guanabara e apresentam hábitos alimentares distintos. A corvina entra e sai regularmente da baía e alimentase de organismos bentônicos (consumidor terciário) e a tainha, residente na baía, é herbívora, podendo se alimentar também de filmes fitobentônico acima da lama de fundo (consumidor primário) (Haimovici, 1997; IBAMA CEPESUL, 1995). Os espécimes foram coletados em currais e em redes na região norte/nordeste da baía, regiões mais afetadas pela dispersão da mancha de óleo, considerada a área mais crítica. Foram também realizadas as análises de HPA em amostras de tainha e corvina coletadas antes do acidente (jan/1999) e mantidas preservadas para condução de estudos de mestrado na Pontifícia Universidade Católica (PUC-Rio). Estas amostras foram utilizadas como referência. Os HPA nas amostras de tecido de peixe encontraram-se na faixa de 15,8 a 76,3 ng g -1. Os níveis encontrados nas amostras coletadas antes do acidente foram 79,8 a 313 ng g -1. Estes resultados mostraram que as amostras de peixe coletadas antes e após o vazamento apresentaram concentrações de HPA similares, em níveis considerados baixos de contaminação quando comparados com dados e critérios internacionais (protocolo da Rhode Island Department of Health (RIDOH); critério do State of Maine Department of Environment Protection (MDEP); critério da National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)) (MAUSETH, 1997, NOAA, 1993). Também não foi detectada a presença de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos de característica carcinogênica em qualquer das 6 amostras de peixe analisadas. -

64 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 42 Concluiu-se, portanto, que passados cerca de 20 dias do acidente, as concentrações encontradas no tecido dos peixes não configuravam condições agudas de poluição e que o pescado da Baía de Guanabara não apresentava contaminação por hidrocarbonetos. Este resultado corroborou dados de literatura referentes à contaminação com HPA em nécton, que usualmente não representa riscos significativos para a saúde humana, mesmo para consumidores de subsistência (GESAMP, 1993; EPA, 1997). Dados específicos para peixes revelam taxas de depuração de HPA relativamente rápidas, impedindo sua acumulação nos tecidos (API, 1978, E & P Forum, 1994; ONU, 1999; Saxton, 1993; NOAA, 1989; NOAA, 1993; UNEP, 1999). Além disso, peixes apresentam a habilidade de detectar a presença de óleo, mesmo a baixas concentrações, e podem evitar áreas de derrame de óleo devido a sua mobilidade (NOAA, 1993). Um fator muito importante a ser considerado num derramamento de óleo é o intemperismo (Neff, 2002; Stout et al., 2002), isto é, a alteração de suas propriedades face aos diversos processos físico-químicos pelos quais o óleo passa quando em contato com o meio ambiente tais como espalhamento, evaporação, dissolução, dispersão, formação de emulsão, oxidação, biodegradação, sedimentação (Figura 2.12). Estes processos ocorrem em janelas de tempo diferentes como pode ser visto na Figura Como resultado do intemperismo do óleo, o teor dos compostos voláteis e de baixa massa molar diminui e a concentração relativa de compostos polares e elevada massa molar aumenta, tornando o óleo derramado menos tóxico, porém mais persistente. -

65 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 43 Figura Processos de alteração de um óleo após contato com o meio ambiente. p p Paul Boehm, Workshop 2001 Figura Escala de tempo dos diversos processos de intemperismo de óleo no meio ambiente (adaptado de Boehm, 2001). -

66 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura Fontes Naturais As fontes naturais de HPA no meio ambiente estão relacionadas, principalmente, com a combustão natural de florestas e pradarias, a exsudação natural de petróleo através de fendas nas rochas sedimentares, as transformações diagenéticas de produtos naturais (tais como os terpenóides, esteróis, quinonas e pigmentos), a erosão de sedimentos continentais e os processos de biossíntese por organismos tais como, bactérias, algas e fungos (Youngblood and Blumer, 1975, Neff, 1979, 2002, Wakeham et al, 1980b; Venkatesan, 1988, Page et al, 1995, Baumard et al, 1998b, Stout et al, 2002). Estes compostos de aportes naturais constituem o background natural dos HPA no ambiente. A combustão é a fonte de HPA mais comum na natureza, relacionada com a queima de vegetações: florestas, pradarias, plantações (Laflamme and Hites, 1978). O padrão de distribuição destes HPA, similar ao padrão dos HPA de fonte pirolítica antropogênica, se caracteriza pela predominância de compostos parentais não substituídos, principalmente os hidrocarbonetos fluorantenos, pirenos e benzo(a)pirenos (Stout et al, 2002). As transformações diagenéticas de determinados compostos orgânicos (terpenóides e pigmentos) em sedimentos com condições anóxicas contribuem para a formação de HPA específicos no meio ambiente. Por exemplo, a formação de perileno em sedimentos marinhos anóxicos pode ocorrer através de processos diagenéticos de precursores terrestres tais como plantas e diatomáceas (Neff, 2002). A redução de pigmentos de quinona, muito comum em insetos e fungos, também pode produzir perileno em sedimentos anóxicos (Laflamme and Hites, 1978). Alguns retenos são derivados da desidrogenação de ácido abiético e alguns diterpenóides e triterpenóides, que são abundantes em plantas terrestres e cinzas de madeira (Neff, 2002). Os detritos de plantas vasculares também contribuem para o meio ambiente com os diterpenos, sesquiterpenos e esterenos, além dos n-alcanos de número ímpar de carbono na faixa de C25 a C33. Os detritos de algas, por sua vez, contribuem com os n-alcanos na faixa de 15 e 20 átomos de carbono, terpenos e esterenos (Stout et al, 2002). -

67 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 45 A biossíntese direta de HPA não é considerada uma fonte quantitativamente importante para o ambiente marinho. Organismos bentônicos como algas e bactérias seriam capazes de secretar substâncias com estruturas semelhantes aos HPA, com substuições de nitrogênio, oxigênio e enxofre (N, S, O) que, em condições anaeróbicas e anóxicas, seriam transformadas em formas mais estáveis (Neff, 2002, Wakeham et al., 1980b). A exsudação natural de petróleo (oil seeps) é um fenômeno extremamente comum e ocorre em todo o globo terrestre, resultante do escape espontâneo de hidrocarbonetos de uma rocha geradora de petróleo ou acumulado em reservatórios de subsuperfície, para a superfície emersa ou submersa (MacDonald et al., 1993, Stout et al, 2002) (Figura 2.14). Foram responsáveis pelas primeiras descobertas de petróleo em áreas emersas, quando métodos mais sofisticados de exploração não existiam. Quando o escape se dá em área submersa, sua ocorrência na superfície marinha irá depender da vazão de óleo no fundo e do padrão local de circulação oceânica superficial, formando manchas de óleo com feições circulares (logo após atingir a superfície do oceano) e ou alongadas (após ação dos ventos e correntes superficiais), como pode ser observado na Figura 2.15 (Bentz, 2006). Na costa da Califórnia, Golfo do Alaska e Golfo do México a ocorrência de exsudação natural encontra-se amplamente registrada (Page et al, 1995, Stout et al., 2002), constituindo, de forma importante, uma fonte natural hidrocarbonetos de petróleo na região, isto é, uma contaminação de background. No Golfo do México a exsudação é intensa, resultante do escape quase contínuo de quantidades consideráveis de óleo, chegando a representar um problema ambiental (Miranda et al., 2002 e 2004). -

68 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 46 Exsudações Figura Representação de uma exsudação de óleo na superfície do oceano. (Fonte: ) Figura Exsudações na superfície do oceano (a) formas circulares (b) formas alongadas (Fonte: ). -

69 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura Diferenciação de Fontes de HPA em Amostras Ambientais Conforme já citado anteriormente, os HPA encontrados em ambientes marinhos são resultantes de uma mistura de compostos que podem ser provenientes de fontes natural e/ou antropogênica. A correlação dos HPA encontrados em amostras ambientais com fontes conhecidas, principalmente as amostras de ambientes mais contaminados como os grandes centros urbanos e industriais, tornase crucial para os estudos de avaliação, monitoramento e danos ambientais. As diferentes fontes de HPA no meio ambiente produzem compostos com características moleculares específicas em diferentes abundâncias relativas. Estas características são utilizadas para sua identificação dentro das amostras ambientais. Vale salientar, no entanto, que os HPA, uma vez no meio ambiente, podem sofrer transformações físico-químicas e biológicas e ter suas características alteradas. Ocorre o intemperismo, que é uma combinação de processos como a evaporação, dissolução, degradação biológica, foto-oxidação dos compostos (Page et al., 1995; Wang et al., 1999; Fingas, 2001a, Bence, 1996, Boehm et al., 1998, Stout et al., 2002). Face à estas alterações, a identificação das fontes dos HPA em amostras ambientais torna-se um desafio para os químicos analíticos e geoquímicos e inúmeros estudos têm sido conduzidos pela comunidade científica no sentido de otimizar as técnicas analíticas necessárias para identificação e quantificação dos HPA bem como as técnicas de interpretação dos dados analíticos. As técnicas mais frequentemente utilizadas para identificação das fontes dos HPA incluem os padrões de distribuição relativa dos compostos, a determinação de razões diagnósticas de compostos específicos (Colombo et al., 1989; Page et al., 1995, Garrides et al., 1995, Budzinski et al., 1997, Baumard et al., 1998 a, b, Wang et al., 1999, Yunker et al., 2000, Readman et al., 2002, Yunker et al., 2002, Meniconi et al, 2002., Stout et al., 2002, Meniconi et al., 2003, Meniconi et al., 2005,.Meniconi and Barbanti, 2007, Tolosa et al., 2004; Stout et al., 2004, Saber, 2005, Liu et al., 2005, Farias, 2006, Oliveira et al., 2006), análises isotópicas (Philp, 1985, Philp et al., 2002 e 2006, O Sullivan et al., 2005) e uso de análises de multivariáveis do tipo -

70 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 48 PCA - principal component analysis (Yunker et al, 2000, Stout et al, 2001; Meniconi et al, 2005, Christensen et al, 2005a e b, Mudge, 2005). Como os HPA, tanto os parentais quantos os alquilados, podem ser provenientes de fontes naturais e antropogênicas, suas composições em amostras ambientais podem se sobrepor, particularmente para o caso dos HPA patentais não substituídos. E é imperativa a necessidade de se avaliar a significância dos HPA antropogênicos contra o background dos HPA naturais Razões Diagnósticas de HPA As razões diagnósticas de HPA têm sido amplamente utilizadas na literatura para auxiliar na identificação e diferenciação de fontes destes compostos em amostras ambientais, se oriundos de fontes petrogênicas, pirogênicas ou naturais. As razões evidenciam as relativas proporções de HPA de diferentes massas molares, facilitando a interpretação do padrão de distribuição total dos HPA. Diversas razões diagnósticas foram definidas, podendo conter HPA parentais, HPA alquilados ou ambos. As razões mais utilizadas encontram-se na Tabela 2.8, associadas às suas faixas limítrofes de identificação de fontes. Estas razões foram estabelecidas com base em dados da literatura, envolvendo inúmeros estudos com amostras de diferentes origens. -

71 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 49 Tabela 2.8. Valores característicos das razões moleculares para identificação de fontes de HPA. Razão Faixa limítrofe Classificação de Origem Referência HPA parentais Fe / An >15 <10 Petrogênica Pirolítica Soclo, 1986 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 >0,4 e <0,5 >0,5 Petrogênica Combustão de petróleo Combustão de carvão, Yunker et al., 2002 BaAn / C <0,4 >0,9 Petrogênica Pirolítica Parlanti, 1990 BaAn / BaAn + C IPi / (IPi+BPe) <0,2 >0,35 <0,2 >0,2 e <0,5 >0,5 Petrogênica Pirolítica Petrogênica Combustão de petróleo Combustão de carvão, HPA Alquilados Yunker et al., 2002 Yunker et al., 2002 MetilFe / Fe >2 <2 Petrogênica Pirolítica Prahl and Carpenter, 1983; Garrigues et al., 1995 MetilDBT / DBT Alto Baixo Petrogênica Pirolítica Blummer and Youngblood, 1975 Fe+An/(Fe+An+C1Fe) <0,5 >0,5 Petrogênica ou Pirolítica Pirolítica Yunker et al., 2002 (Outros HPA 3-6 anéis)* / (5séries HPA aquilados)** <0,08 >0,50 Petrogênica Pirolítica Wang et al., 1999 Pe/ HPA com 5 anéis) *** >10 Biogênica Baumard et al., 1998b C3DBT / C3Fe versus C2DBT / C2Fe agrupamento Mesma origem Page et al., 1995 * Outros HPA 3-6 anéis = todos os HPA analisados menos as 5 séries de HPAs alquilados. ** 5 séries HPAs alquilados = Naftalenos, Fluorenos, Dibenzotiofenos, Fenantrenos and Crisenos. HPA com 5 anéis) = Benzo(b)fluoranteno + Benzo(k)fluoranteno + Benzo(a)pireno + Benzo(e)pireno + Dibenzo(a,h)antraceno (abundância relativa do perileno). Abreviaturas: Fe/An: Fenantreno/Antraceno; Fl/Pi: Fluoranteno/Pireno; An/(An+Fe): Antraceno/Antraceno + Fenantrenos; Fl/(Fl+Pi): Fluoranteno/(Fluoranteno+Pireno); BaAn/C: Benzo(a)antraceno /Criseno; BaAn/ BaAn+C: Benzo(a)antraceno / Benzo(a)antraceno +Criseno; BePi/BaPi:Benzo(e)pireno /Benzo(a)pireno; IPi/(IPi+BPe):Indeno1,2,3(cd)pireno / (Indeno1,2,3 (cd)pireno+benzo(ghi)perileno); MetilFe/Fe: Metilfenantreno/Fenantreno; MetilDBT/DBT: MetilDibenzotiofenos/Dibenzotiofenos; Fe+An/(Fe+An+C1Fe): Fenantreno+Antraceno /(Fenantreno +Antraceno+C1Fenantreno); C2DBT/C2Fe: C 2 Dibenzotiofenos/C 2 Fenantrenos; C3DBT/C3Fe: C 3 Dibenzotiofenos/C 3 Fenantrenos; Pe: Perileno. -

72 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 50 O uso de razões diagnósticas contendo HPA alquilados traduz de forma mais direta a contribuição de fontes petrogênicas de hidrocarbonetos em amostras ambientais. Isto se dá porque o padrão de distribuição dos HPA em petróleos ou seus derivados se caracteriza pela maior abundância relativa dos HPA alquilados em relação ao HPA parental de cada série homóloga destes compostos, conforme mencionado anteriormente (Blummer and Youngblood, 1975, Boehm and Farrington, 1984, Sauer and Boehm, 1991, Sauer and Uhler, , Page et al., 1995, Wang et al., 1999). Já o uso das razões diagnósticas parentais como indicadores de fontes de HPA requer, entretanto, o entendimento básico de alguns fundamentos: 1) os diferentes HPA parentais possuem uma habilidade relativa de discriminação face as suas relativas estabilidades termodinâmicas; 2) cada fonte de HPA possui suas características próprias; 3) podem ocorrer modificações na composição dos HPA entre a fonte e o sedimento onde foram depositados. Quanto à habilidade relativa de discriminação de fontes dos diferentes HPA parentais, a literatura baseia-se na avaliação da estabilidade termodinâmica dos HPA que é feita através do calor de formação dos compostos isômeros em questão. Calcula-se a diferença do calor de formação entre dois compostos, sempre em relação ao isômero mais estável (Yunker et al., 2002). Para este cálculo leva-se em conta somente os compostos que apresentam a mesma razão massa sobre carga (m/z) utilizada para sua detecção na análise por CG-EM (vide Anexo A) no sentido de minimizar as dificuldades de interpretação dos dados ou interferências devido as diferenças de propriedades dos HPA entre dois e seis anéis tais como volatilidade, solubilidade em água, adsorção (Readman et al, 1986, Yunker et al, 2000 and 2002). Programas computacionais tais como AM1 (Hyperchem, V4,5, Hypercube, Inc, 419 Philip St., Waterloo, Ontario, Canada) e PCMODEL (V5.13, Serena Software, Box 3076, Bloomington, Indiana, USA) têm sido utilizados para calcular o calor de formação dos HPA (Yunker et al., 2000). -

73 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 51 Seria de se esperar que 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 da razão diagnóstica que utiliza estes dois isômeros. Por exemplo, a diferença de calor de formação entre os isômeros fenantreno e antraceno (m/z 178) é 5,48 Kcal mol -1, tendo o fenantreno como referência por ser o isômero mais estável (Figura 2.16 a). Já a diferença de calor de formação entre os isômeros pireno e fluoranteno (m/z 228) é 20,58 Kcal mol -1, pireno como referência (Figura 2.16 b). Espera-se, portanto, que a razão diagnóstica que utiliza os compostos isômeros pireno e fluoranteno venha a apresentar maior habilidade de discriminação entre os HPA de origem petrogênica e pirolítica que a razão de fenantreno e antraceno, por apresentar a maior diferença de calor de formação. Para entendimento deste critério de avaliação da habilidade relativa de discriminação em relação às relativas estabilidades termodinâmicas, vale ressaltar que os HPA originados por processos de combustão incompleta (pirolíticos) geralmente apresentam uma maior proporção de isômeros menos estáveis termodinamicamente: chamados isômeros cinéticos. Os HPA mais estáveis termodinamicamente são aqueles que se originaram por processos de baixa temperatura, que são controlados pelas propriedades termodinâmicas tais como a geração dos HPA durante o processo catagênico de formação do petróleo. Com base neste critério de estabilidade termodinâmica, podemos classificar os isômeros como representantes dos aportes petrogênicos e pirolíticos, como pode ser observado na Tabela

74 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 52 Razão Fe/An a Antraceno (Menos estável) Diferença de Calor de Formação (Kcal/mol) 5,5 Fenantreno (Mais estável) m/z 178 Razão Fl/Pi b Fluoranteno (Menos estável) 20,5 Pireno (Mais estável) m/z 202 Figura Habilidade de discriminação de razões diagnóstica com base em isômeros parentais através de estabilidade termodinâmica (processo de baixa temperatura). Tabela 2.9. Habilidade de discriminação de aportes petrogênicos e pirolíticos em relação às relativas estabilidades termodinâmicas de alguns isômeros. m/z Isômero Termodinâmico Mais Estável Fenantreno Pireno Benzo(ghi)perileno Aporte Petrogênico Isômero Cinético Menos Estável Antraceno Fluoranteno Indeno(1,2,3-cd)pireno Aporte Pirolítico Hf (Kcal/mol) 5,48 20,58 16,6 Conforme mencionado anteriormente, o uso das razões diagnósticas como indicadores de fontes também depende do entendimento do fato de que cada fonte de HPA possui características próprias, com sua própria assinatura. Por exemplo, uma série homóloga de HPA parental e alquilados com maiores concentrações dos -

75 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura 53 compostos alquilados em relação ao parental, geralmente distribuídos na forma de uma curva gaussiana, sugere a presença predominante de uma matéria orgânica matura como o petróleo, não degradado, em uma amostra ambiental (Blumer and Youngblood, 1975, API, 1978, Bence and Burns, 1995, Wang et al, 1999). Contrariamente, uma série homóloga de HPA parental e alquilados com maior abundância relativa do composto parental não substituído indica a predominância de produtos de combustão (Blumer and Youngblood, 1975, Lee et al, 1977, Grimmer et al, 1983; Simoneit, 1985, Sauer and Boehm, 1991, Schauer et al, 1999, Lim et al, 1999, Stout et al,2002). Finalmente, é importante lembrar que o uso das razões diagnósticas como indicadores de fontes também dependem do entendimento de que podem ocorrer modificações na composição dos HPA entre a fonte e o sedimento onde foram depositados. Estas modificações estariam relacionadas à estabilidade relativa dos diferentes compostos isômeros e às diferentes fontes dos HPA (Yunker et al., 2002). Estas modificações devem ser levadas em conta principalmente quando na utilização de razões contendo HPA alquilados, que são preferencialmente degradados na seqüência C1>C2>C3>C4 ((Sauer and Uhler, ; Bence and Burns, 1995, Stout et al, 2002, Page et al, 1995, Wang, 1999). As razões C3DBT/C3Fe e C2 DBT/C2Fe são frequentemente utilizadas uma vez não são afetadas pelo intemperismo da amostra, pois ambos os compostos apresentam taxas de degradação similares, mantendo a mesma razão que a do óleo ou fonte original, antes do processo de degradação. Desta forma, amostras intemperisadas e de mesma origem apresentam valores similares destas razões, formando um agrupamento no diagrama de C3 DBT/C3Fe versus C2 DBT/C2Fe. -

76 2. Aspectos Teóricos e Revisão da Literatura Análise de Componente Principal (ACP) Análise de Componente Principal (ACP) é uma ferramenta estatística que também tem sido utilizada para auxiliar na diferenciação de fontes de HPA em amostras ambientais (Yunker et al., 2000, Johnson et al., 2002; Meniconi et al., 2005, Christensen et al., 2005b, Mudge, 2005). A análise de ACP foi realizada utilizando-se um algorítimo iterativo não linear de mínimos quadrados (non-linear iterative partial least squares) que permite uma avaliação simultânea das projeções das variáveis (concentrações dos HPA individuais) e das amostras (respectivamente loadings e scores). A utilização da ACP requer, no entanto, um pré-processamento dos dados para evitar desvios de interpretação de fatores como diferenças muito grandes da concentração dos compostos entre as amostras, compostos em concentrações abaixo do limite de detecção do método, etc. Os pré-processamentos são: O uso da metade do valor do limite de detecção do método para os compostos que não foram detectados A normalização da concentração de cada composto pela concentração total de HPA da amostra para evitar a influência de uma ampla faixa de concentração de amostras A correção pela média e desvio padrão: a concentração normalizada de cada composto é reduzida da média e do desvio padrão daquele composto em relação a todas as amostras. -

77 3. Área de Estudo 55 Capítulo 3 Área de Estudo

78 3. Área de Estudo Área de Estudo A área escolhida para este trabalho foi a Baía de Guanabara, situada na cidade do Rio de Janeiro, RJ. É um ecossistema estuarino altamente urbanizado e industrializado que recebe uma poluição crônica intensa da região metropolitana e municipalidades vizinhas e que foi cenário de um derramamento acidental de cerca de 1300 m 3 de óleo combustível de navio (marine fuel MF 380) em janeiro de Trata-se, portanto, de uma região complexa Características Regionais da Baía de Guanabara e sua Poluição Antropogênica Crônica A Baía de Guanabara está localizada na região costeira do Estado do Rio de Janeiro, entre e de latitude e e de longitude e abrange diretamente 8 municípios dispostos ao longo de seu contorno: Rio de Janeiro (inclusive Ilha de Paquetá), Duque de Caxias, São João de Meriti, Magé, Guapimirim, Itaboraí, São Gonçalo e Niterói. Já a sua bacia de drenagem (Figura 3.1) possui uma área de 4080 Km 2 (Kjerfve et al., 1997) e é composta por 15 municípios, contando também com Belford Roxo, Nilópolis, Tanguá, Nova Iguaçu, Cachoeiras de Macacu, Rio Bonito e Petrópolis. Figura 3.1. Bacia de Drenagem da Baía de Guanabara (Fonte: Mayr, 1998).

79 3. Área de Estudo 57 A Baía de Guanabara possui atualmente uma área superficial de aproximadamente 400 Km 2, uma linha de costa de 156 Km e profundidade variável, chegando até 50 metros na área do canal central. A baía apresenta 46% de sua área, principalmente ao longo de seu contorno em profundidade abaixo de 5 metros (linha tracejada na Figura 3.2) e uma variação de maré até 1,2 metros. É uma baía tipicamente de baixa energia, podendo ser dividida em três áreas: zona externa influenciada pela ação das ondas e correntes de maré; zona interna caracterizada por baixa energia (mais influenciada pelos ventos); e uma área de transição (Batista Neto et al., 2006). Apesar disso, a média da taxa de renovação de água da baía (50% de seu volume) é significativa, cerca de 11 dias (Kjerve et al., 1997). Polo Petroquímico Ilha de Paquetá Ilha Governador Manguezal Figura 3.2. Características socio-fisico-econômica da Baía de Guanabara.

80 3. Área de Estudo 58 A granulometria do sedimento da Baía de Guanabara varia de areia grossa a argila, com teores de carbono orgânico na faixa de 2% a 6% (Mendonça Filho et al., 2003, Batista Neto et al., 2006). A entrada da baía e a área do canal principal até a ponte Rio-Niterói são constituídas de areia grossa à muito fina e é uma região que está sujeita às ações intensas de ondas e correntes de maré. A partir da região do Aeroporto Santos Dumont, a baía se alarga e a velocidade das correntes diminuem, acarretando a deposição de sedimentos finos nos dois lados do canal. Estes sedimentos contêm até 2% de carbono orgânico e são caracterizados pela presença de silte e argila. As regiões central e norte da baía são mais rasas e mais protegidas das ações de ondas e correntes, apresentando baixa energia hidrodinâmica. O sedimento lamoso é constituído de, predominantemente, silte e argila, e possui carbono orgânico na faixa de 4 a 6% (Batista Neto et al., 2006). Este alto teor de carbono orgânico é resultado da elevada produtividade da água desta região da baía (produção primária líquida de 0,17 mol C m -2 dia -1 segundo Rebello et al., 1986) e do grande aporte de despejos domésticos não tratados, correspondendo a uma introdução anual de 3,2x10 9 mol P e 6,2x10 10 mol N na baía (Wagener, 1995). Resultante da intensa atividade microbiológica local, o sedimento da baía apresenta um predomínio de matéria orgânica amorfa (Mendonça Filho et al., 2003). Dados da literatura científica indicam uma divisão da Baía de Guanabara em quatro a cinco regiões com níveis de poluição distintos para suas águas e sedimentos (Batista Neto et al., 2006). A área noroeste da baía e a área portuária do Rio de Janeiro, onde deságuam os rios mais poluídos, depositários dos rejeitos da região mais urbanizada e industrializada, registram as maiores concentrações de poluentes, no caso, metais. A região nordeste da baía, que conta em seu contorno com uma área de manguezal mais preservado (Área de Proteção Ambiental de Guapimirim desde 1984 Amador, 1997), apresenta menor nível de poluição por metais que área noroeste, apesar da semelhança destas áreas em termos granulométricos e hidrodinâmica. Na entrada da baía (região sul), que apresenta sedimentos arenosos e alta energia hidrodinâmica, a concentranção de metais é baixo. Na região de transição, entre as regiões nordeste, noroeste e sul da baía, a poluição por metais é variável (Batista Neto et al., 2006).

81 3. Área de Estudo 59 A região norte/nordeste da Baía de Guanabara conta com uma área de manguezal remanescente de cerca de 82 Km 2 (Amador, 1997), dos quais 65 Km 2 estão localizados dentro da Área de Proteção Ambiental (APA) de Guapimirim (Bentz, 2002) O delineamento das regiões de manguezais na baía está ilustrado na Figura 3.2. A superfície atual de manguezais na Baía de Guanabara corresponde a apenas 31% da área original existente no ano de 1500 (262 Km 2 ), tendo passado por sucessivos processos de destruição pela ocupação humana (Amador, 1997). O desmatamento e a invasão imobiliária descontrolada dos últimos 100 anos tem contribuído para a constante modificação dos ecossistemas da baía, aumentando os fluxos dos rios e a elevação das taxas de sedimentação e transporte para a baía, hoje na faixa de 1 a 2 cm ano -1 (Godoy et al., 1998). Na região rasa norte/nordeste da baía, encontram-se distribuídos cerca de 350 currais de peixe que compõem um dos artefatos de pesca da comunidade pesqueira artesenal da Baía de Guanabara. A ampla região de drenagem da Baía de Guanabara abriga cerca de dez milhões de habitantes, o equivalente a 80% da população do estado e apresentou no período 1980 a 1991, a maior taxa de crescimento do país (JICA, 1994). Cerca de 55 rios e riachos deságuam na baía numa taxa de aproximadamente 350 m 3 /s (Amador, 1997), com alta contribuição de efluentes domésticos brutos ou parcialmente tratados, águas pluviais e efluentes industriais de mais de estabelecimentos industriais. Com isto, a introdução de carga orgânica na baía situase na faixa de 465 toneladas/dia, onde 17 m 3 s -1 correspondem a efluentes domésticos (Feema, 2006). O aporte dos hidrocarbonetos na baía, considerando-se todas as fontes (transporte de produtos de petróleo, deposição atmosférica dos produtos de combustão incompleta de combustível fóssil automotivo e industrial e escoamentos de rejeitos domésticos e industriais), encontra-se em torno de 6588 toneladas/ano. A contribuição de escoamento de rejeitos municipais é responsável pelo maior aporte de hidrocarbonetos para a baía e encontra-se em torno de 3770 toneladas de hidrocarboneto/ano (50% do total), seguido do escoamento urbano (runoff) com 1802 toneladas de hidrocarbonetos/ano (27%), enquanto a contribuição das refinarias é de 460 toneladas de hidrocarbonetos/ano (7%) (Ferreira, 1995).

82 3. Área de Estudo 60 Atualmente, após instalação de um sistema de recirculação e reuso da água de refrigeração da refinaria Duque de Caxias, esta contribuição é menor que a reportada por Ferreira em 1995 (Revista Alpina em Ação, 2004). A Figura 3.2 ilustra os pontos de escoamento de esgoto doméstico e industrial da Baía de Guanabara. Os efluentes industriais que chegam à baía são compostos de inúmeros tipos de poluentes, inclusive aqueles de características persistentes e extremamente tóxicas como bifenilas policloradas (PCBs), pesticidas, compostos de estanho (TBT), entre outros. Das t/dia de lixo sólido oriundas da região do Grande Rio, são encaminhadas para o aterro de Gramacho, localizado próximo à margem da baía, sendo um foco de contaminação do solo e poluição das águas superficiais e subterrâneas (Feema, 2006). As demais t/dia de lixo, constituídas dos mais diversos tipos de materiais (televisores, sofás, colchões, sacos plásticos, garrafas PET, dentre outros) são dispersas na bacia de drenagem da baía. Vale ressaltar que já no final do século XIX, já eram reportados problemas com relação à descarga de esgotos domésticos in natura na baía e sinais de poluição industrial, particularmente associada às atividades da indústria naval e têxtil. Finalmente, os maiores níveis de degradação ambiental são encontrados no século XX, a partir da Primeira Guerra Mundial, e, mais recentemente, a partir dos anos 50-60, quando ocorreu um crescimento exponencial da população, sem o devido acompanhamento de infra-estrutura urbanística e sanitária básica. Este processo foi acompanhado por aterros sucessivos na linha de costa da baía e um desmatamento desordenado de seus bosques de manguezais. Nesta ocasião consolida-se o parque industrial do Rio de Janeiro, que se estende pela região periférica da Baía de Guanabara (Pereira, 1996; Amador, 1997). A baía é atualmente um retrato de um processo crescente de degradação ambiental que, no entanto, tem demonstrado surpreendentemente, grande resiliência (Mayr, 1998). Compõem também o ecossistema da baía a presença de dois aeroportos, 14 terminais marítimos de carga e descarga de produtos oleosos, dois portos comerciais, diversos estaleiros, um grande número de embarcações de transporte de passageiros, embarcações de pesca e iates, duas refinarias de petróleo, mais de

83 3. Área de Estudo 61 mil postos de combustíveis e uma intrincada rede de transporte de matérias-primas, combustíveis e produtos industrializados permeando zonas urbanas altamente congestionadas (FEEMA, 2006; SEMA et al, 1998). O porto do Rio de Janeiro é o segundo maior do Brasil, onde mais de 2000 navios comerciais atracam por ano.

84 3. Área de Estudo Derrame de Óleo Combustível na Baía de Guanabara Janeiro de 2000 O derrame acidental de óleo ocorrido na Baía de Guanabara em janeiro de 2000 foi um evento pontual e agudo, ocasionando o vazamento de 1292 m 3 (1268 toneladas) de óleo combustível MF-380 (UFRJ et al., 2000). O vazamento foi ocasionado pela ruptura de uma tubulação que transportava óleo da Refinaria Duque de Caxias para o Terminal da Ilha D água. Grande parte do óleo, transportado por correntes de maré e ventos, espalhou-se sobre a água e alcançou ilhas, linhas de costa, praias e mangues situados na parte nordeste e norte da baía (Gabardo et al., 2001, Meniconi et al., 2002). A evolução da mancha de óleo na baía foi acompanhada através de imagens de radar e vôos de helicópteros diários. A extensão máxima da mancha foi de 56 Km 2 na superfície da baía, no segundo dia depois do acidente (Bentz and Miranda, 2001), como pode ser observado na Figura 3.3. Após os esforços de contenção e limpeza do óleo na água e na linha de costa, permaneceram somente iridiscências de óleo por alguns dias, isto é, filmes delgados de óleo na superfície da água. Segundo base de dados levantada por Fingas (2001a), este acidente na Baía de Guanabara poder ser classificado como de pequeno porte. A base inclui acidentes com derrames de óleo ocorridos em todo o planeta, considerando todas as possíveis causas tais como: acidentes em tanques de armazenamento de combustível, navios tanque, ruptura de dutos, blow out de poço, guerras, etc. O mais famoso acidente de navio do mundo, o do Exxon Valdez, resultou no derramamento de 37 mil toneladas de óleo cru no Alaska equivalendo, a um vazamento 29 vezes maior que o ocorrido na Baía de Guanabara (Fingas, 2001a). Por outro lado, adotando a classificação de acidentes do ITOPF (derrames de óleo acima de 700 m 3 são considerados de grande porte), o vazamento ocorrido na Baía de Guanabara em janeiro de 2000 se enquadraria na categoria de grande porte.

85 3. Área de Estudo 63 Figura 3.3. Evolução da mancha de óleo após acidente de janeiro de 2000 na Baía de Guanabara. Após o acidente, inúmeros estudos foram conduzidos na Baía de Guanabara. O Diagnóstico inicial foi realizado por uma parceria entre Universidades do Rio de Janeiro (UFRJ, PUC-Rio, UERJ, UFF) e a Petrobras e teve início 10 dias após o ocorrido. O estudo contemplou avaliações ecotoxicológicas do óleo derramado e do corpo d água da baía. Contemplou também análises químicas de HPA e n-alcanos dos compartimentos sedimento e água, associados às análises de HPA em tecido de peixes da baía (UFRJ et al., 2000, Gabardo et al, 2001, Meniconi et al, 2002). Também foram conduzidas três inspeções visuais da linha de costa da Baía de Guanabara nos meses de janeiro, março e abril de 2000, possibilitando acompanhar o processo de limpeza natural da região. Foram conduzidas por técnicos da PETROBRAS, em conjunto com órgãos ambientais, governamentais e não governamentais, e comunidade científica (UFRJ, UERJ, UFF, PUC). Estas

86 3. Área de Estudo 64 inspeções geraram mapas digitalizados contendo o levantamento das regiões atingidas por óleo, evidenciando a evolução do panorama encontrado (Gabardo et al., 2003). Foram utilizadas classificações visuais, uma delas baseada na metodologia adotada pela NOAA e adaptada pelo Instituto Baía de Guanabara que define cinco categorias de cobertura por óleo: grave, moderada, leve, muito leve e sem óleo. Nove meses depois do acidente deu-se início ao Monitoramento Ambiental da Baía de Guanabara através do convênio firmado entre o Estado do Rio de Janeiro, através da SEMADS (Secretaria de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável) e a Petrobras, onde foram conduzidos estudos ambientais nos compartimentos água, sedimento e manguezais da baía. Os estudos contemplaram levantamento de dados de Química, Botânica, Caranguejos, Macrozoobentos, Costões, Larvas, Praias e Avifauna por um período de um ano (setembro/2000 a agosto/2001). Os estudos deste convênio foram realizados por um pool de Universidades do Rio de Janeiro: UFRJ, PUC-Rio, UERJ e UFF. O presente estudo, cujo objetivo é identificar as fontes de hidrocarbonetos na BG, foi desenvolvido com amostras de sedimento coletadas em duas campanhas: uma imediatamente após o derrame de óleo de 2000 e a segunda, três anos depois, permitindo uma investigação temporal dos dados obtidos. Todas as estações amostrais foram coincidentes com estações utilizadas no estudo de Diagnóstico após derrame acidental de óleo de 2000 (UFRJ et al, 2000, Gabardo et al, 2001, Meniconi et al, 2002), algumas delas tendo sido motivo de pesquisa acadêmica nas universidades PUC-Rio (Hamacher, 1996, Lima, 1996) e UFF (Catanzaro et al., 2004, Batista Neto et al., 2006) antes do derrame.

87 4. Materiais e Métodos 65 Capítulo 4 Materiais e Métodos

88 4. Materiais e Métodos Materiais e Métodos O planejamento experimental do presente trabalho teve como base os estudos em hidrocarbonetos e outros contaminantes conduzidos na Baía de Guanabara. Foram consideradas estações de amostragem em diversos pontos da baía, representando as seguintes regiões: intermaré, infralitoral, atingidas e não atingidas pelo derrame de óleo em janeiro de 2000, baixa e alta energia hidrodinâmica, dentro e fora da área de proteção ambiental (APA de Guapimirim), próxima a unidades da indústria de petróleo, sob influência direta e indireta dos lançamentos de despejos industriais e domésticos, próxima a atividade pesqueira, nas regiões rasas (abaixo de 5 m) e nas regiões mais profundas (acima de 5 m), etc. Serão descritas a seguir as metodologias utilizadas na condução dos estudos de diferenciação de fontes de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara e de avaliação preliminar dos níveis de metabólitos de HPA em bile de peixes. Os métodos de análise dos compostos de interesse foram quantitativos e todos os quesitos de preservação e manipulação das amostras foram levados em consideração e se encontram nos itens que se seguem Diferenciação de Fontes de HPA em Sedimentos da Baía de Guanabara - Campanhas 2000 e 2003 As etapas principais do procedimento experimental e analítico são apresentadas na Figura 4.1. As amostras de sedimentos, após as coletas realizadas nas campanhas de 2000 e 2003, foram analisadas por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas para determinação de HPA individuais. Em seguida foram aplicadas técnicas estatísticas e descritivas para avaliação da variação temporal dos níveis de HPA entre as duas campanhas. Posteriormente foram testadas técnicas de diferenciação de fontes de hidrocarbonetos incluindo a avaliação da distribuição das séries de HPA, as razões diagnósticas e a análise de componentes principais de HPA.

89 4. Materiais e Métodos 67 Amostragem Estações Determinação de 38 HPA por CG-EM Tratamento Estatístico Avaliação Temporal Wilcoxon ANOVA Distribuição Razões Diagnósticas sedimentos 4 óleos Análise de Componentes Principais sedimentos 4 óleos Diferenciação de Fontes Figura 4.1. Fluxograma do procedimento experimental e analítico do estudo de diferenciação de fontes de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara Estratégia Amostral A estratégia de amostragem utilizada para a identificação de fontes de hidrocarbonetos na Baía de Guanabara foi baseada nas análises de hidrocarbonetos em sedimentos, e incluiu um número grande de combinações entre os 38 HPA analisados. Dentre as 57 estações de sedimentos analisadas no estudo de Diagnóstico conduzido imediatamente após o derrame de óleo de janeiro de 2000, 21 estações foram selecionadas para desenvolver o presente trabalho, representando áreas atingidas e não atingidas pelo óleo derramado (Meniconi et al., 2002). As estações escolhidas para a identificação de fontes foram: T1, T7, T9, T15, T22, T24, T28, T31, T32, D34, T36, D39, D43, T46, T51, D53, T54, T55, T56 e T57.

90 4. Materiais e Métodos 68 As estações T1 a T28 representam região de intermaré e as estações de T31 a T57, do infralitoral. As denominações das estações com letra T e D referem-se ao tipo de amostrador utilizado: T para testemunhadores e D para dragas. A Figura 4.2 mostra as posições geográficas dos 21 pontos de amostragens na Baía de Guanabara para o presente estudo. As coordenadas geográficas estão listadas no Anexo B. Figura 4.2. Posição geográfica das 21 estações de sedimento coletadas em 2000 e 2003 na Baía de Guanabara - Sistema de coordenadas geográficas Datum SAD 69. Na primeira campanha, realizada em 2000, as amostras foram coletadas 10 dias depois do acidente. Na segunda campanha, realizada em 2003, as amostras foram coletadas nas mesmas estações selecionadas para o estudo de diferenciação de fontes em 2000, o que permitiu uma investigação temporal na região. Uma subamostra de 3 cm da camada superior do sedimento foi transferida para frascos de alumínio de boca larga com selo de Teflon na tampa e subseqüentemente armazenadas congeladas para posterior análise de HPA (Figura 4.3).

91 4. Materiais e Métodos 69 Com base nas características regionais da Baía de Guanabara e sua poluição crônica, descrita anteriormente (item 3.1), as 21 estações de sedimento estudadas podem também ser classificadas, em relação à contaminação por hidrocarbonetos, de acordo com zonas de interferência próximas: Grupo 1 próximo as descargas de esgoto doméstico e industrial de Duque de Caxias, Belford Roxo e João do Meriti, ao local do acidente de janeiro de 2000 e a bosques de manguezal (intermaré NW): T15, T18, T22, T24, T28; Grupo 2 próximo as descargas de esgoto doméstico e industrial do Rio de Janeiro, São Gonçalo e Niterói (infralitoral SW, SE): T54, T55, T56, T57; Grupo 3 próximo as descargas de esgoto doméstico e a bosques de manguezal do rio Suruí e da APA de Guapimirim (intermaré NE): T1, T7, T9, D43,T46; Grupo 4 área de tráfego de embarcações pesqueiras, próximo a Ilha de Paquetá e a região entre Ilha do Governador e o local do acidente (infralitoral no fundo da baía): T31, T32, D34, T36, D39, T51, D53; Algumas estações merecem destaque. As estações T22 e T24 são próximas do pólo petroquímico da baía e do local de vazamento de óleo em janeiro de As estações T31, T32 e D34 se localizam sob o espelho d água, entre o pólo e a Ilha do Governador, recebendo a influência da descarga fluvial dos rios Iguaçu e Sarapuí. As estações T7 e T9 ficam próximas da desembocadura do rio Suruí e foram atingidas pelo óleo derramado em janeiro de A estação T54 fica junto ao Terminal da Petrobras da Ilha d Água e a T1 representa uma área mais preservada, na franja do maior bosque de manguezal da baía.

92 4. Materiais e Métodos 70 Figura 4.3. Coleta de amostras de sedimento da baía de Guanabara com testemunhadores e dragas e sub-amostragem da camada superior do sedimento.

93 4. Materiais e Métodos Determinação dos HPA em Sedimentos Nas amostras de sedimento coletadas nas regiões do infralitoral e intermaré da Baía de Guanabara em 2000 e 2003 procedeu-se um detalhamento da caracterização dos hidrocarbonetos, através da determinação de 38 HPA individuais com dois a seis anéis condensados (parentais e alquilados). Dentre os 38 HPA determinados (Figura 4.4), encontram-se os 16 HPA parentais prioritários segundo a agência de proteção ambiental americana USA-EPA (naftaleno, acenaftileno, acenafteno, fluoreno, fenantreno, antraceno, fluoranteno, pireno, benzo(a)antraceno, criseno, benzo(b)fluoranteno, benzo(k)fluoranteno, benzo(a)pireno, indeno(1,2,3- c,d)pireno, dibenzo(a,h)antraceno, benzo(ghi)perileno, incluindo-se também dibenzotiofeno, perileno e benzo(e)pireno). Os demais compostos, incluindo as séries alquilados dos HPA e a série dos dibenzotiofenos (C1 a C4 naftalenos, C1 a C3 fluorenos, C1 a C3 dibenzotiofenos, C1 a C4 fenantrenos, C1 e C2 pirenos, e C1 e C2 crisenos), foram estudados por se tratarem de compostos relevantes na identificação da origem dos hidrocarbonetos. A lista dos compostos analisados associados com suas massas/carga utilizadas para detecção por CG-EM encontramse no Anexo A. * * * * Naftaleno 1,Me-Naftaleno 2,Me-Naftaleno C 2 -Naftaleno * C 3 -Naftaleno * C 4 -Naftaleno Acenaftileno Acenafteno Fluoreno C 1 -Fluoreno * C 2 -Fluoreno * C 3 -Fluoreno Dibenzotiofeno C 1 -Dibenzotiofeno * C 2 -Dibenzotiofeno * C 3 -Dibenzotiofeno Fenantreno Antraceno C 1 -Fenantreno/Antraceno * C 2 -Fenantreno/Antraceno * C 3 -Fenantreno/Antraceno * C 4 -Fenantreno/Antraceno Fluoranteno Pireno * C 1 -Fluoranteno/pireno * C 2 -Fluoranteno/pireno * Benzo(a)antraceno Criseno C 1 -Criseno C 2 -Criseno C 3 -Criseno Benzo(b)fluoranteno Benzo(k)fluoranteno Benzo(a)pireno Benzo(e)pireno Perileno Indeno(1,2,3-cd)pireno Dibenzo(a,h)antraceno Benzo(g,h,i)perileno * 16 HPA prioritários Figura 4.4. Lista dos 38 HPA analisados neste estudo: 16 prioritários EPA, as séries alquiladas e outros (Método EPA 8270 C).

94 4. Materiais e Métodos 72 O desenho esquemático da análise para a determinação de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara é apresentado na Figura 4.5. A descrição detalhada da metodologia utilizada encontra-se nos item a seguir. Cada batelada de análise de 7 amostras de sedimento da Baía de Guanabara era acompanhada de realização de um branco analítico e de uma amostra de material certificado NIST Sub-amostra (5g) Introdução de padrão de recuperação p-terfenil-d 14 Extração em Soxhlet com remoção de enxofre Solvente: DCM Fracionamento do Extrato Fases: Sílica-gel e Alumina básica Eluição Fração 1 HC alifáticos: Hexano Eluição Fração 2 HC aromáticos: DCM:Hexano(1:1v/v) Adição de Padrão Interno naftaleno-d 8 fenantreno d 10 acenafteno-d 10 criseno-d 12 perileno-d 12 Análise CG-EM Figura 4.5. Fluxograma das etapas analíticas envolvidas na determinação de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara Extração da Amostra As amostras de sedimento, após remoção de gravetos, foram extraídas seguindo a metodologia EPA Method 3540 (soxhlet). As amostras foram descongeladas, homogeneizadas e uma sub-amostra (5g) foi misturada com sulfato de sódio (1:4; p/p). A extração foi executada em um sistema Soxhlet por 24 horas com 200 ml de diclorometano. Antes da extração, um hidrocarboneto aromático (pterfenil-d14) foi adicionado às amostras de sedimento como surrogate (padrão para

95 4. Materiais e Métodos 73 determinação de recuperação). O enxofre foi removido durante a extração com cobre elementar ativado. Um evaporador rotatório foi usado para reduzir o volume do extrato para 5 ml, e então o solvente foi substituído por n-hexano em um sistema tipo Kuderna-Danish até um volume final de 1 ml Fracionamento do Extrato Os extratos de sedimento foram fracionados através de cromatografia de adsorção, baseado na metodologia EPA Method 3630 modificado. Uma coluna aberta foi preenchida com 2,5g de areia pirolisada a 400 C, 20g de sílica-gel desativada a 5%, 10g de alumina básica desativada a 1%, 2,5g de areia pirolisada a 400 C e 2,5 g de sulfato de sódio pirolisado. O extrato concentrado (1 ml) foi cuidadosamente adicionado ao topo da coluna e as frações seguintes foram coletadas: (F1 - Hidrocarbonetos alifáticos, isoprenos e UCM), utilizando-se 50 ml de n-hexano e (F2 - compostos aromáticos), utilizando-se 200 ml da mistura 1:1 de diclorometano : hexano. O volume da fração F2 contendo os compostos aromáticos foi reduzido através de um evaporador rotatório e sob um fluxo suave de nitrogênio puro até um volume final de 1 ml e a fração foi armazenada sob refrigeração até a análise de HPA Análise de HPA por CG-EM A análise de HPA e as séries alquiladas da fração de aromáticos do extrato de sedimento foi realizada utilizando-se cromatrografia gasosa acoplada a espectrometria de massas (CG-EM), seguindo a metodologia EPA Method 8270-C, com modificações. Isto foi conduzido em um cromatógrafo a gás HP 5890 séries II acoplado a um sistema de detector de massas Finnigan GCQ. O espectrômetro de massa foi operado no modo de impacto de elétrons (EI - 70eV) e os dados foram adquiridos no modo full scan ( amu). As condições de GC foram as seguintes: temperatura do forno de 40 C por 5 min., seguida de uma programação de 8 o C/min até 280 C, com manutenção desta temperatura por de 30 min). Nestas condições analíticas, o cromatograma de massas de uma mistura padrão, contendo os HPA parentais, apresenta-se conforme ilustrado na Figura 4.6.

96 4. Materiais e Métodos 74 A quantificação foi realizada através do método de padrão interno usando uma solução com acenafteno-d10, naftaleno-d8, fenantreno-d10, criseno-d12 e perileno-d12. O método analítico foi certificado pela extração, em triplicata, de materiais de referência de sedimento marinho e mexilhões liofilizados da NIST (SRM 1941a e SRM 2974) e brancos foram periodicamente processados para verificar problemas de contaminação. A Associação Canadense para Laboratórios Analíticos Ambientais (CAEAL) certifica o laboratório duas vezes por ano. Os limites de detecção do método (LDM) foram calculados como 1 ng.g -1 para o sedimento, peso seco. RT: Abundância relativa Tempo (min) Figura 4.6. Cromatograma de massas de HPA parentais de uma mistura padrão (adaptado de Gabardo et al., 2005).

97 4. Materiais e Métodos Técnicas de Identificação de Fontes de HPA A identificação das fontes dos hidrocarbonetos nas amostras de sedimento de Baía de Guanabara foi feita usando as seguintes abordagens: índices diagnósticos de HPA e análises multi-variáveis de HPA Razões Diagnósticas Conforme previamente reportado, muitas razões moleculares de HPA têm sido utilizadas para auxiliar a identificação das fontes de HPA em amostras ambientais, distinguindo fontes petrogênica, biogênica e pirolítica (Youngblood e Blumer, 1975; Gschwend e Hites, 1981; Sicre et al., 1987; Lipatou e Albaigés, 1994; Kennicutt II, 1995; Budzinski et al., 1997; Baumard et al., 1998, Wang et al., 1999; Yunker et al., 2000; Readman et al., 2002; Yunker et al., 2002). Dentre as diversas razões citadas na literatura, foram utilizadas neste estudo razões moleculares de HPA parentais e alquilados, as quais estão listadas a seguir: HPA parentais: Fenantreno/Antraceno Fluoranteno/Pireno Antraceno/Antraceno+ Fenantrenos Fluoranteno/(Fluoranteno+Pireno) Indeno1,2,3(cd)pireno/( Indeno1,2,3(cd)pireno+Benzo(ghi)perileno) Índice de abundância de perileno: Perileno/ HPA com 5 anéis) onde HPA com 5 anéis) = BbFl + BkFl + BaPi + BePi + DBAn (Abreviaturas no Anexo A)

98 4. Materiais e Métodos 76 HPA alquilados: Fenantreno+Antraceno/(Fenantreno+Antraceno+C1Fenantreno) Índice pirogênico: (Outros HPA 3-6 anéis) / (5 séries HPA alquilados) onde: 5 séries HPAs alquilados = Naftalenos, Fluorenos, Dibenzotiofenos, Fenantrenos and Crisenos) Outros HPA 3-6 anéis = todos os outros HPA analisados A interpretação dos dados foi realizada através de diagramas cruzados das razões diagnósticas de HPA obtidas dos resultados das campanhas realizadas em 2000 e 2003, o que possibilita obter uma melhor estimativa das fontes (Budizinski et al., 1997, Yunker et al., 2002), tornando o estudo mais robusto e integrado. Além disso, foram analisados dados de quatro óleos e derivados de petróleo em conjunto com os dados das amostras de sedimento. Isto permitiu aferir os indicadores em estudo, isto é, as razões que identificavam as amostras de óleo fora das faixas limítrofes reservadas para amostras com características pedrominantemente petrogênicas eram desconsideradas. Por outro lado, as razões que identificavam as amostras de óleo dentro da faixa petrogênica eram classificadas como promissoras. Os óleos utilizados para esta aferição foram: o óleo vazado no acidente de janeiro de 2000 (óleo combustível pesado - MF380), um petróleo árabe (AL), um óleo leve (Ar) e um óleo diesel (DM).

99 4. Materiais e Métodos Análise de Componentes Principais (APC) A análise de multivariáveis dos dados de concentração de HPA aplicada neste estudo foi realizada com base em análise de componentes principais (ACP), utilizando-se um algorítimo iterativo não linear de mínimos quadrados (non-linear iterative partial least squares), que permite uma avaliação simultânea das projeções das variáveis (concentrações dos HPA individuais) e das amostras (loadings e scores, respectivamente). As projeções das amostras foram diagramadas para as campanhas de 2000 e 2003, separadamente, utilizando-se o programa Statistica, versão 5.0. Antes da realização da análise de componentes principais, os dados dos HPA passaram por um pré-processamento para permitir a utilização dos dados dos compostos com concentrações abaixo do LDM e para evitar desvios de interpretação devido às diferenças de concentração dos compostos entre as amostras (Kvalheim, 1985, Yunker et al., 2002). Os pré-processamentos realizados foram: O uso da metade do valor do limite de detecção do método para os compostos que não foram detectados. Com isto, os compostos não detectados adquiriram concentração de 0,5 ng/g. A normalização da concentração de cada composto pela concentração total de HPA da amostra para evitar a influência de uma ampla faixa de concentração de amostras. Isto é: Concentração Normalizada Conc. Composto Conc. Total HPA na Amostra A correção pela média e desvio padrão: a concentração normalizada de cada composto é reduzida da média e do desvio padrão daquele composto em relação a todas as amostras. Concentração Final Conc. Normalizada - Média das Conc. Normalizadas Desvio Padrão das Conc. Normalizadas

100 4. Materiais e Métodos Metabólitos de HPA em Bile de Peixes da Baía de Guanabara As etapas principais do procedimento experimental e analítico do estudo de exposição de peixes da Baía de Guanabara através da quantificação de seus metabólitos biliares de HPA são apresentadas sumariamente na Figura 4.7. Amostragem de Peixes: 2006 Fevereiro / Março / Abril 4 Estações Entrada da baía Interior da baía Remoção da Vesícula Biliar Constituição de Amostras Compostas de Bile por espécie Determinação de 12 Metabólitos de HPA por CG-EM Tratamento Estatístico Avaliação Espacial por Família Kruskal-Walli Comparação Descritiva Temporal Espacial Avaliação Qualitativa Isômeros: m/z 290 m/z 340 Entre Espécies Figura 4.7. Fluxograma das etapas do estudo de metabólitos de HPA em bile de peixes da Baía de Guanabara.

101 4. Materiais e Métodos Estratégia Amostral Para uma avaliação preliminar do nível de exposição a que os peixes da Baía de Guanabara estão submetidos, foram conduzidas campanhas de coleta de amostras de bile de peixes, ao longo de 3 meses, no ano de O presente estudo teve como objetivo quantificar metabólitos individuais de HPA biliar, presentes em 4 espécies de peixe representativas de 3 famílias diferentes, que foram coletadas na Baía de Guanabara durante os meses de fevereiro, março e abril de 2006: Genidens genidens da família Ariidae, Micropogonias furnieri e Ctenoscianea gracilicirrhus da família Sciaenidae, Cyclichthys spinosus da família Diodontidae. A Figura 4.8 ilustra as espécies estudadas. A espécie Genidens genidens (Ariidae), conhecida como bagre marinho, é uma espécie bentônica com ocorrência em toda a costa atlântica americana, inclusive regiões estuarinas, geralmente em água pouco profunda e em fundos lodosos ou arenosos. Não circula na coluna d água. Esta espécie é carnívora, alimentando-se de pequenos peixes, invertebrados e detritos orgânicos (Szpilman, 2000, Fishbase, 2007). Na Baía de Guanabara, é uma espécie que apresenta hábitos estuarino-residente e seu habitat preferencial é o demersal inconsolidado, mantendo-se em áreas mais internas, com baixa salinidade, isto é, com maior influência de águas continentais. Os bagres capturados neste estudo, por arrasto de fundo, se encontram sempre presentes, ao longo de todo o ano (Carvalho et al., 2007). A espécie Micropogonias furnieri, conhecida como corvina, é uma espécie demersal que ocorre em águas rasas tropicais e subtropicais da costa atlântica das Américas Central e do Sul. As corvinas habitam fundos lodosos ou arenosos e podem ser consideradas estuarinas-dependente pois utilizam o estuário para seu crescimento e desova, dirigindo-se para fora da baía quando adultas. É uma espécie carnívora, alimentando-se de pequenos invertebrados bentônicos e os adultos capturam também pequenos peixes e vermes (Szpilman, 2000, Vazzoler et al., 1999). Na Baía de Guanabara, a corvina, capturada por arrasto de fundo, utiliza toda

102 4. Materiais e Métodos 80 a extensão da baía durante todo o ano, apresentando abundâncias relativamente elevadas (Andrade-Tubino et al., 2007). É uma espécie que revolve o sedimento e que também tem vida na coluna d água. Já a espécie Ctenoscianea gracilicirrhus, também da família Sciaenidae, conhecida como cangauá, é considerada demersal estuarina-oportunista na Baía de Guanabara pois não utiliza o estuário na sua totalidade, apresentando preferências pelas áreas sob influências oceânicas (Andrade-Tubino et al., 2007). A espécie Cyclichthys spinosus (família Diodontidae), composta por baiacude-espinho, é uma espécie com habitat bentopelágica de águas relativamente rasas e vivem sobre fundos coralinos, rochosos e arenosos. Alimentam-se de uma grande variedade de invertebrados, incluindo os moluscos, caranguejos e ouriços do mar, que são esmagados por seus dentes com formato de bico de papagaio. Esta espécie não é utilizada para consumo humano (Szpilman, 2000). Na Baía de Guanabara, o baiacu-de-espinho pode ser considerado estuarino-dependente, distribuindo-se por todo o corpo d água ao longo de todo o ano. É mais representativo nas áreas mais próximas à entrada da baía, podendo se alimentar também nos costões (Andrade et al., 2007). Família Sciaenidae Micropogonias furnieri & Ctenoscianea gracilicirrhus Família Arridae Genidens genidens Família Diodontidae Cyclichthys spinosus Figura 4.8. Imagens das espécies de peixes estudadas na Baía de Guanabara.

103 4. Materiais e Métodos 81 A pesca de fundo com uma única rede de arrasto com malha de 20 mm foi realizada ao longo de 50 minutos, a fim de coletar os peixes. As duas regiões de interesse, norte da baía (parte interna) e sul da baía (entrada) foram escolhidas para representar diferentes qualidades de água da baía. As estações de arrasto realizadas na área interna da Baía de Guanabara fundo da baía (áreas 1 e 2, próximas ao rio Estrela e Ilha de Paquetá, respectivamente) são representativas de uma região mais contaminada, com energia hidrodinâmica baixa e alta eutrofização; as estações localizadas na entrada da baía (áreas 3 e 4, enseadas de Botafogo e Boa Viagem, respectivamente) têm energia hidrodinâmica mais elevada, com contaminação por hidrocarbonetos variável (baixa e alta). A Figura 4.9 apresenta as posições geográficas das 4 estações de arrasto na Baía de Guanabara para execução deste estudo. Fundo da baía Entrada da baía Figura 4.9. Local geográfico das estações de coleta de peixes por arrasto na Baía de Guanabara para a análise de metabólitos biliares de PAH (Sistema de coordenadas geográficas Datum SAD 69).

104 4. Materiais e Métodos Coleta de Bile de Peixe Após cada arrasto, os peixes coletados foram transportados para o laboratório em caixas térmicas contendo gelo. Os peixes foram então identificados, medidos e pesados. Em seguida foram dissecados e tiveram a visícula biliar extraída, que foi transferida para frasco de eppendorf e imediatamente congelada em nitrogênio líquido e posteriormente armazenada em freezer (-20 C). Este processo encontra-se na Figura Figura Ilustração do procedimento de extração da vesícula biliar de peixes da Baia de Guanabara. De um modo geral, o volume de amostra individual de bile se mostrava muito reduzido e insuficiente para análise (mínimo necessário: 100 l). Consequentemente, amostras compostas eram constituídas pelo agrupamento de duas ou mais amostras de bile individual. A Tabela 4.1 apresenta a composição das

105 4. Materiais e Métodos 83 9 amostras analisadas neste estudo, especificando as espécies de peixes coletadas e dados de biometria. Tabela 4.1. Amostras de bile de peixe da Baía de Guanabara para análise de metabólitos de HPA. Código da amostra GA No de Área da baía indivíduos 1 Fundo (Norte) 1 Espécie Genidens genidens Comprimento (mm) * Peso (g) * Massa bile (g) Data , /02/ GB 1 Fundo (Norte) 1 Genidens genidens , /02/ G 1 Fundo (Norte) 4 Genidens genidens , /03/ M 2 Fundo (Norte) 2 Micropogonias furnieri , /03/ Cy 2 Fundo (Norte) 3 Cyclichthys spinosus , /03/ CtA Cy M G 3 Entrada (Sul) 5 Botafogo 4 Entrada (Sul) 4 Boa Viagem 4 Entrada (Sul) 2 Boa Viagem 1 Fundo (Norte) 7 Ctenoscianea gracilicirrhus Cyclichthys spinosus Micropogonias furnieri Genidens genidens - - 0, /04/ , /04/ , /04/ , /04/06 * = média dos valores individuais Vale ressaltar que as espécies de peixes coletadas neste estudo representam hábitos alimentares, teores de lipídios, idade, comprimento e peso diferentes, o que dificulta a interpretação dos resultados. No entanto, o trabalho é válido uma vez que se pretendeu fazer apenas uma investigação preliminar dos teores de metabólitos de HPA em bile de peixes presentes na Baía de Guanabara, resultante da exposição destes organismos a um ecossistema altamente urbanizado e industrializado que recebe poluição antropogênica crônica intensa.

106 4. Materiais e Métodos Determinação dos Metabólitos Biliares de HPA A análise dos metabólitos de HPA (OH-HPA) em bile de pescados foi realizada no Laboratório de Físico-toxicoquímica de Sistemas Naturais da Universidade de Bordeaux I, França, sob orientação da Dra Hélène Budzinski. A análise foi conduzida de acordo com o protocolo estabelecido por Le Dû e colaboradores (2006), ainda não implementado em laboratórios nacionais. Este método permitiu a determinação de metabólitos individuais de HPA em bile de peixes pela primeira vez no Brasil. O fluxograma das etapas da análise é apresentado na Figura 4.11 e consiste em deconjugação enzimática, extração, purificação e derivatização para posterior análise por GC-EM. Introdução de padrão interno (1-OHPi-d 9 ) Deconjugação enzimática (37 C, ph 5, 20h) Extração em fase sólida Fase C18 Ativação da coluna: água/metanol (70:30 v/v) Eluição: metanol Purificação Fase NH2 Eluição: metanol/diclorometano (20:80 v/v) Derivatização (30 min, 65 C) Adição de padrão de recuperação fenantreno d 10 Análise CG-EM Figura Fluxograma das etapas analíticas envolvidas na determinação de metabólitos de HPA em bile de peixes.

107 4. Materiais e Métodos 85 Segundo o protocolo seguido, 12 metabólitos são identificados e quantificados: 1-hidroxinaftaleno, 1-hidroxifenantreno, 9-hidroxifenantreno, 2-hidroxinaftaleno, 2-hidroxifenantreno, 1-hidroxipireno, 3-hidroxibifenila, 3-hidroxifenantreno, 1-hidroxicriseno, 9-hidroxifluoreno, 4-hidroxifenantreno, 3-hidroxibenzo(a)pireno Preparo da Amostra As amostras de bile foram preparadas para a determinação de metabólitos de PAH de acordo com o protocolo acima descrito, passando pelas etapas de deconjugação enzimática, extração e purificação em fase sólida e derivatização com BSTFA (bis(trimetilsilil)-trifluoracetamida). Deconjugação enzimática: As amostras (cerca de 100 L) foram tratadas com 20 ul de enzima ß-glucuronidase, utilizando com um tampão de acetato para manter ph 5. Padrão interno para quantificação dos metabólitos (1- hidroxipireno d 9 ) e antioxidante (2 mercaptoetano) foram adicionados à mistura antes de ser colocada em um forno às 37 C durante 20 horas. Após deconjugação (quebra da estrutura conjugada hidrofílica dos metabólitos e consequente formação de metabólitos livres eletrolíticos), os aglomerados de enzima formados durante deconjugação foram então separados do sobrenadante contendo os metabólitos livres, pigmentos e outros compostos hidrofílicos através de centrifugação. Extração em fase sólida (solid phase extraction - SPE): Os compostos hidrofílicos indesejáveis foram inicialmente separados dos metabólitos e pigmentos utilizando-se extração em fase sólida (cartuchos com fase C18 de 500 mg). Os compostos hidrofílicos foram eluídos com uma solução tampão/metanol (70/30) enquanto os metabólitos e pigmentos ficavam retidos na fase sólida. Em seguida, os metabólitos e pigmentos foram eluídos da coluna com metanol (2 x 2,5 ml). Purificação: A purificação dos metabólitos foi realizada utilizando-se extração em fase sólida (cartuchos com fase NH2 de 500 mg). Os metabólitos foram eluídos com uma solução de diclorometano/ metanol (80/20) (2 x 2,5 ml), ficando os

108 4. Materiais e Métodos 86 pigmentos retidos na fase. O extrato foi levado a secura sob fluxo de nitrogênio e posteriormente dissolvido em diclorometano. Derivatização: Os metabólitos, concentrados em diclorometano, foram subseqüentemente derivatizados, acrescentando-se 30 L BSTFA (bis(trimetilsilano)-trifluoroacetamida) e mantidos em forno a 65 C por 30 minutos. Desta forma, os analitos de interesse foram silanizados antes da análise cromatográfica para se obter picos gaussianos bem resolvidos, sem alargamentos e caudas. Depois da derivatização, um padrão (pireno d 10 ) foi adicionado à amostra para determinação da recuperação, seguindo-se a análise dos metabólitos por CG- EM Análise de Metabólitos de HPA por CG-EM As análises foram conduzidas em um cromatógrafo a gás HP 6890 série II acoplado a um sistema de detector de massas HP O espectrômetro de massa foi operado no modo de impacto de elétron (70eV) e os dados foram adquiridos em modo SIM (single íon monitoring). As condições de cromatografia foram as seguintes: injeção sem divisão de fluxo (splitless); temperatura do forno: 70 C por 2 min., taxa de aquecimento de 5 C/min até 180 e taxa de 10 C/min de 180 até 290 C com isoterma final de 1 min; temperatura de interface: 280 C. A coluna cromatográfica foi HP5/MS (30m x 0,25mm x 0,25 m). Nestas condições analíticas, o cromatograma de massas de uma mistura padrão contendo os 12 metabólitos de HPA após derivatização apresenta-se conforme ilustrado na Figura Os diferentes isômeros do hidroxifenantrenos (m/z 266) são também apresentados. A quantificação foi feita através de padronização com uma solução de 1 hidroxipireno deuterado (1- hidroxipireno d9). A lista dos 12 compostos analisados e seus íons de identificação encontram-se no Anexo C. Os compostos são, de um modo geral, detectados sob a forma de HPA-O-Si(CH 3 ) + 3 com valor de m/z = massa molecular Os principais íons de espectros de massas obtidos com a derivatização (e sem a derivatização) estão apresentados na Tabela 4.2.

109 4. Materiais e Métodos 87 3-OH Bi OH N 2-OH N Pi-d 10 TIC: GBTEST05.D OH Fenantrenos 1-OH Pi + 1-OH Pi-d 9 9-OH F OH C 3-OH BaPi --> Tempo (min) Ion ( to ): GBTEST05.D 4-OH Fe 1-OH Fe 9-OH Fe 3-OH Fe 2-OH Fe Figura Cromatograma de massas de 12 metabólitos de HPA de uma mistura padrão após derivatização (adaptado de Mazeas, 2004). Tabela 4.2. Principais íons (m/z) característicos dos espectros de massas obtidos por CG-EM com e sem derivatização. Composto Código Íons (m/z) sem derivatrização Íons (m/z) com derivatrização 1-hidroxinaftaleno 1-OHN 144,115 (85) 201, 216 (90) 2-hidroxinaftaleno 2-OHN 144, 115 (60) 216, 201 (65) 2-hidroxibifenila 2-OHBi 170, 169 (75), 141 (32) 211, 227 (60), 242 (40) 9-hidroxifluoreno 9-OHF 181, 182 (77), 152 (38) 165, 254 (25), 73 (25), 180 (10) 9-hidroxifenantreno 9-OHFe 194, , 251 (63) 1-hidroxipireno 1-OHPi 218, 189 (77) 290, 275 (25), 291 (20) 1-hidroxicriseno 1-OHC 244, 215 (75) 316, 301, hidroxibenzo(a)pireno 3-OHBaPi 268, 239 (68) 340, 341 (30) 1- hidroxipireno d 9 1-OHPi-d pireno d 10 Pi-d Os números entre parêntesis são os percentuais de abundância de cada íon em relação ao primeiro, fixo em 100%.

110 5. Resultados e Discussão 88 Capítulo 5 Resultados e Discussão

111 5. Resultados e Discussão Resultados e Discussão 5.1. Quantificação e Distribuição dos HPA em Sedimentos da Baía de Guanabara A concentração dos HPA individuais, o somatório dos 16 HPA prioritários segundo EPA ( 16 HPA) e a soma total dos 38 HPA analisados ( HPA) nos sedimentos coletados na Baía de Guanabara em 2000 (logo após o derramamento de óleo) e em 2003 encontram-se no Anexo D. Os teores de HPA dos óleos e derivados utilizados ao longo deste estudo para auxiliar no exercício de identificação e diferenciação de fontes de hidrocarbonetos nos sedimentos da Baía de Guanabara, através das razões diagnósticas e análises estatísticas multivariadas, também se encontram no Anexo D. As Tabelas 5.1 e 5.2 apresentam um resumo dos resultados de HPA de sedimentos da baía para as campanhas de 2000 e 2003, respectivamente, considerando as áreas das estações de sedimentos de intermaré e infralitoral. Para ambas as campanhas o total de HPA variou de forma relevante ao longo da baía, apresentando teores entre 559 a ng g -1 peso seco (concentração mediana: 4877 ng g -1 ) para a campanha de 2000 e 400 a ng g -1 peso seco (concentração mediana: 3603 ng g -1 ) para a campanha de Baseada em análises estatísticas paramétrica (ANOVA) e não paramétrica (teste Wilcoxon) (Daniel, 1978), verificou-se que não existe diferença significativa em concentrações de HPA entre as amostras de 2000 e 2003 (Anexo E).

112 5. Resultados e Discussão 90 Tabela 5.1. Resumo dos resultados de HPA (ng g -1 peso seco) de amostras de sedimento da Baía de Guanabara para a campanha de Intermaré T1 T7 T9 T15 T18 T22 T24 T28 16HPA Total HPA Infralitoral T31 T32 T36 T46 T51 T54 T55 T56 T57 D34 D39 D43 D53 16HPA Total HPA Tabela 5.2. Resumo dos resultados de HPA (ng g -1 peso seco) de amostras de sedimento de Baía de Guanabara para a campanha de Intermaré T1 T7 T9 T15 T18 T22 T24 T28 16PAH Total PAH Infralitoral T31 T32 T36 T46 T51 T54 T55 T56 T57 D34 D39 D43 D53 16PAH Total PAH Para comparar os dados deste estudo com os previamente reportados para a Baía de Guanabara, faz-se necessário avaliar apenas os resultados dos 16 HPA prioritários da EPA, uma vez que os dados pretéritos não consideraram todos os compostos alquilados. Os somatórios dos 16 HPA para as campanhas de 2000 e 2003 variaram de 207 até ng g -1 e 184 a 5110 ng g -1, respectivamente. As variações desta contaminação dos sedimentos da baía por hidrocarbonetos mostram-se dentro dos mesmos intervalos observados por Lima (1996) (1564 a ng g -1 ), Hamacher (1996) (554 a 1894 ng g -1 ) e Chalaux (1995) (1051 a 5861 ng g -1 ).

113 5. Resultados e Discussão 91 A comparação dos dados deste estudo com os de algumas regiões estuarinas e costeiras no mundo está apresentada na Tabela 5.3, onde estão listados os teores de HPA em diversos sedimentos marinhos analisados recentemente na Europa, Ásia, América e Oceania. As concentrações de HPA em sedimentos da Baía de Guanabara coletados por ocasião do derramamento de óleo e 3 anos depois encontram-se similares entre si e numa faixa semelhante daquelas observadas em vários regiões estuarinas internacionais, correlacionadas ou não com derramamentos de óleo. Estes dados comparativos citados acima (literatura internacional e teses) indicam, numa abordagem inicial, que as concentrações de HPA nos sedimentos da Baía de Guanabara estejam relacionadas mais diretamente com o aporte antropogênico crônico de hidrocarbonetos e não com o evento agudo do derrame de óleo de Estes resultados são corroborados com dados de biomarcadores geoquímicos obtidos para estas amostras de sedimento da Baía de Guanabara coletadas em 2000 e 2003 (Meniconi and Barbanti, 2007). As análises de esteranos e terpanos realizadas por Meniconi and Barbanti (2007) revelaram que a maioria das amostras da baía não apresentou correlação com o óleo derramado. Os sedimentos apresentaram nítida contribuição de hidrocarbonetos derivados de ambiente deposicional marinho carbonático. No entanto, o óleo derramado MF 380 tem como base óleo derivado de um ambiente deposicional lacustre de água salgada, que apresenta um padrão de distribuição de terpanos e esteranos diferente do encontrado nos sedimentos da Baía de Guanabara (Meniconi and Barbanti, 2007). As exceções foram para apenas duas amostras de intermaré situadas em uma área atingida pelo óleo em janeiro de 2000 (estações T7 e T9). Desta forma, os dados de biomarcadores evidenciaram uma predominância de hidrocarbonetos originados de poluição antropogênica crônica nos sedimentos da baía, demonstrando que o óleo vazado e espalhado sobre a superfície d água da Baía de Guanabara em 2000 não afundou nem se misturou com o material em suspensão da coluna d água, para posterior sedimentação (Gabardo et al., 2001, Meniconi et al., 2002). Em suma, verificou-se que o derrame de óleo de janeiro de 2000 não causou alterações significativas sobre os teores de

114 5. Resultados e Discussão 92 HPA nos sedimentos da Baía de Guanabara. Considerando a distribuição de HPA nas amostras de sedimentos da Baía de Guanabara para as campanhas de 2000 e 2003 (Anexo F), observou-se uma contribuição de HPA alquilado mais elevada para alguns dos sedimentos de intermaré da campanha de 2000, que pode ser explicado pelo contato direto da água com o sedimento em decorrência da maré e da ação das ondas na linha de costa. Isto é mostrado na Figura 5.1, onde todas as séries de HPA alquilados intemperizados são predominantes para as amostras das estações T7, T9 (próximas da desembocadura do rio Suruí e que foram atingidas pelo óleo derramado em janeiro de 2000) e T22 (próxima do local de vazamento em 2000) na campanha de A degradação das amostras pode ser nitidamente verificada pela distribuição das séries dos HPA alquilados com concentração máxima para o isômero de maior alquilação (HPA parental < C1 <C2 < C3 < C4). Por outro lado, para ambas as campanhas, foi observada a predominância dos HPA de quatro e cinco anéis sobre os outros compostos, principalmente para os sedimentos das estações do infralitoral, na área de influência da mancha de óleo de janeiro de 2000 e em outras estações localizadas fora da área de influência do acidente (Figuras 5.2 e 5.3, respectivamente). As Figuras 5.4 e 5.5 resumem estas observações para todas as amostras estudadas.

115 5. Resultados e Discussão 93 Tabela 5.3. Comparação dos teores de HPA (ng g -1 peso seco) deste estudo com dados de literatura para sedimentos de inúmeros locais costeiros no mundo. Local Número de HPA determinados Faixa de Concentração (ng/g) Referências Oceania Estuário do Rio Brisbane, Australia Kayal and Connell, 1989 Ásia Masan Bay, Coreá Khim et al., 1999 Estuário do Rio Jiulongjiang, China Witt and Siegel, 2000 Baoshan, Shangai, China Xu et al, 2001 Estuário do Rio Pearl, China Bixian et al., 2001 Daya Bay, Hong Kong, China Zhou and Maskaoui, 2003 Estuário do Rio Yalujiang, Norte China Wu et al, 2003 Estuário do Rio Minjiang, China Zhang et al., 2004 Deep Bay (banco de lama), China Zhang et al, 2004 Estuário do Rio Pearl, China Fung et al., 2005 Masan Bay, Coréa Yim et al., 2005 Europa Estuário do rio Gironde e Baía de Arcachon, França 14 3,5-853 Sicre et al., 1987 Estuário do Rio Mersey, RU Readman et al., 1986 Estuário do Rio Tamar, RU Readman et al., 1986 Porto de Toulon, França Baumard et al., 1998b Delta do Rio Rhone, França Lipiatou et al., 1997 Estuário do rio Gironde, França Budzinski et al., 1997 Portos mediterrâneos, França Baumard et al., 1998a, b Porto Ajaccio, Corsega, França Baumard et al., 1998a, b Mar Cáspio, Europa Tolosa et al., 2004 Delta do rio Rhone Bouloubassi and Saliot, 1993 América Estuário do Rio de La Plata, Argentina Colombo et al., 1989 (depois de derrame), Argentina Canal do Rio de La Plata Colombo, 2000 Casco Bay, EUA Kennicutt et al., 1994 Sarasota Bay, EUA Sherblom et al., 1995 Cerritos channel, Los Angeles, EUA Brown et al., 1998 San Diego, EUA Anderson et al., 1996 San Francisco Bay, EUA Pereira et al, 1996 Porto de Boston, EUA Wang et al., 2001 Porto de Pórtland, EUA Stout et al., 2004 Porto de Tagle, WA, EUA Stout et al., 2004 Baía de Guanabara, Brasil Hamacher, 1996 Baía de Guanabara, Brasil Lima, 1996 Baía de Guanabara (2000), Brasil Baía de Guanabara (2003), Brasil Este estudo Obs: PEL (Nível Provável de Efeito adverso em biota) é de ng g -1, segundo NOAA.

116 5. Resultados e Discussão T N 1MN 2MN C2N C3N C4N Acl Ace F C1F C2F C3F DBT C1DBT C2DBT C3DBT Fe C1Fe C2Fe C3Fe C4Fe An Fl Pi C1Pi C2Pi BaAn C C1C C2C BbFl BkFl BePi BaPi Pe IPi DBAn BPe T N 1MN 2MN C2N C3N C4N Acl Ace F C1F C2F C3F DBT C1DBT C2DBT C3DBT Fe C1Fe C2Fe C3Fe C4Fe An Fl Pi C1Pi C2Pi BaAn C C1C C2C BbFl BkFl BePi BaPi Pe IPi DBAn BPe 7000 T N 1MN 2MN C2N C3N C4N Acl Ace F C1F C2F C3F DBT C1DBT C2DBT C3DBT Fe C1Fe C2Fe C3Fe C4Fe An Fl Pi C1Pi C2Pi BaAn C C1C C2C BbFl BkFl BePi BaPi Pe IPi DBAn BPe Figura 5.1. Predomínio de HPA alquilados em amostras de intermaré para a campanha de 2000 em relação à de 2003 na Baía de Guanabara (ng g -1 ).

117 5. Resultados e Discussão T N 1MN 2MN C2N C3N C4N Acl Ace F C1F C2F C3F DBT C1DBT C2DBT C3DBT Fe C1Fe C2Fe C3Fe C4Fe An Fl Pi C1Pi C2Pi BaAn C C1C C2C BbFl BkFl BePi BaPi Pe IPi DBAn BPe T N 1MN 2MN C2N C3N C4N Acl Ace F C1F C2F C3F DBT C1DBT C2DBT C3DBT Fe C1Fe C2Fe C3Fe C4Fe An Fl Pi C1Pi C2Pi BaAn C C1C C2C BbFl BkFl BePi BaPi Pe IPi DBAn BPe 1400 D N 1MN 2MN C2N C3N C4N Acl Ace F C1F C2F C3F DBT C1DBT C2DBT C3DBT Fe C1Fe C2Fe C3Fe C4Fe An Fl Pi C1Pi C2Pi BaAn C C1C C2C BbFl BkFl BePi BaPi Pe IPi DBAn BPe Figura 5.2. Predomínio de HPA de quatro e cinco anéis para as amostras do infralitoral para as campanhas de 2000 e 2003 dentro da área de influência da mancha de óleo de janeiro de 2000 (ng g -1 ).

118 5. Resultados e Discussão T N 1MN 2MN C2N C3N C4N Acl Ace F C1F C2F C3F DBT C1DBT C2DBT C3DBT Fe C1Fe C2Fe C3Fe C4Fe An Fl Pi C1Pi C2Pi BaAn C C1C C2C BbFl BkFl BePi BaPi Pe IPi DBAn BPe T N 1MN 2MN C2N C3N C4N Acl Ace F C1F C2F C3F DBT C1DBT C2DBT C3DBT Fe C1Fe C2Fe C3Fe C4Fe An Fl Pi C1Pi C2Pi BaAn C C1C C2C BbFl BkFl BePi BaPi Pe IPi DBAn BPe T N 1MN 2MN C2N C3N C4N Acl Ace F C1F C2F C3F DBT C1DBT C2DBT C3DBT Fe C1Fe C2Fe C3Fe C4Fe An Fl Pi C1Pi C2Pi BaAn C C1C C2C BbFl BkFl BePi BaPi Pe IPi DBAn BPe Figura 5.3. Predomínio de HPA de quatro e cinco anéis para as amostras do infralitoral para as campanhas de 2000 e 2003 fora da área de influência da mancha de óleo de janeiro de 2000 (ng g -1 ).

119 5. Resultados e Discussão Concentração de HPA (ng g-1) Anéis 3 Anéis 4 Anéis 5 Anéis 6 Anéis T1 T7 T9 T15 T18 T22 T24 T28 T31 T32 T36 T46 T51 T54 T55 T56 T57 D34 D39 D43 D53 Amostras Figura 5.4. Distribuição dos HPA por número de anéis para os sedimentos da Baía de Guanabara campanha Concentração de HPA (ng g-1) T1 T7 T9 T15 T18 T22 T24 T28 T31 T32 T36 T46 T51 T54 T55 T56 T57 D34 D39 D43 D53 Amostras 2 Anéis 3 Anéis 4 Anéis 5 Anéis 6 Anéis Figura 5.5. Distribuição dos HPA por número de anéis para os sedimentos da Baía de Guanabara campanha 2003.

120 5. Resultados e Discussão Diferenciação de Fontes de HPA em Sedimentos da Baía de Guanabara Razões Diagnósticas Comparações entre vários conjuntos de razões diagnósticas de HPA foram usadas para identificar as fontes de hidrocarbonetos das amostras de sedimento de Baía de Guanabara, incluindo razões de HPA parentais e as razões de HPA alquilados. Na tabela 5.4 são listadas as razões utilizadas para compor os diagramas cruzados e seus valores característicos de identificação de fontes. Tabela 5.4. Razões diagnósticas utilizadas para os sedimentos da Baía de Guanabara e suas faixas limítrofes de identificação de fontes. Razão Faixa limítrofe HPA parentais Classificação de Origem Fe / An Fl / Pi An / (An+Fe) Fl / (Ft+Pi) IPi / (IPi+BPe) Fe+An/(Fe+An+C1Fe) (Outros HPA 3-6 anéis)* / (5séries HPA aquilados)** >15 <10 <1 >1 <0,1 >0,1 <0,4 entre 0,4 e 0,5 >0,5 <0,2 entre 0,2 e 0,5 >0,5 HPA Alquilados <0,5 >0,5 <0,08 >0,50 Petrogênica Pirolítica Petrogênica Pirolítica Petrogênica Pirolítica Petrogênica Combustão de Petróleo Combustão de carvão, madeira, vegetação Petrogênica Combustão de Petróleo Combustão de carvão, madeira, vegetação Petrogênica ou Pirolítica Pirolítica Petrogênica Pirolítica Pe/ HPA com 5 anéis) *** abundância relativa do perileno C3DBT/ C3Fe versus C2DBT/C2Fe >10 Biogênica agrupamento Mesma origem * Outros HPA 3-6 anéis = todos os HPA analisados menos as 5 séries de HPAs alquilados ** 5 séries HPAs alquilados = Naftalenos, Fluorenos, Dibenzotiofenos, Fenantrenos and Crisenos HPA com 5 anéis) = Benzo(b)fluoranteno + Benzo(k)fluoranteno + Benzo(a)pireno + Benzo(e)pireno + Dibenzo(a,h)antraceno.

121 5. Resultados e Discussão 99 No Anexo G encontra-se a tabela contendo os valores das razões diagnósticas utilizadas neste estudo para as amostras de sedimentos da Baía de Guanabara coletadas nas campanhas 2000 e 2003 e para os óleos estudados. O diagrama de razão dupla Fenantreno/Antraceno (Fe/An) versus Fluoranteno/Pireno (Fl/Pi) tem sido freqüentemente utilizado para diferenciar a mistura de aportes petrogênico e pirolítico em sedimentos (Soclo, 1986, Baumard et al., 1998, Tam.et al, 2001, Readman et al., 2002, Ke et al., 2002) apesar da prevista baixa capacidade de discriminação da razão Fe/An (pequena diferença de calor de formação entre os isômeros). A Figura 5.6 representa diagrama de razão parental cruzada para amostras de Baía de Guanabara, coletadas para as campanhas realizadas em 2000 e 2003, registradas junto com quatro amostras de óleo e derivados que são: o óleo combustível derramado em janeiro de MF 380 (produzido a partir de um petróleo cru de uma bacia marginal brasileira); um óleo cru árabe (AL), freqüentemente usado em refinarias brasileiras; um óleo leve (Ar) e um óleo diesel (DM), produzido em uma refinaria no sul do país. Foi observado que esta razão cruzada não fornece uma interpretação robusta das fontes de HPA, apesar de alguns sedimentos de intermaré (T1, T9, T15 e T18) terem mostrado características pirolíticas, isto é, Fl/Pi maior que 1 e Fe/An menor que 10, como reportado em estudos de Budizinski et al., 1997, Baumard et al., 1998a e Readman et al., Esta diferenciação foi determinada efetivamente pela razão Fl/Pi. Todas as outras amostras da Baía de Guanabara e inclusive os óleos estudados MF 380, AL e Ar apresentaram características de mistura, situando-se no quadrante esquerdo inferior deste diagrama de razão dupla (Fl/Pi menor que 1 e Fe/An menor que 10). A exceção foi para o óleo diesel (DM) que situou-se no quadrante esquerdo superior correspondente a fontes petrogênicas. Esta baixa capacidade de discriminação era esperada, uma vez que o par de compostos Fenantreno e Antraceno possuem diferença relativa em estabilidade termodinâmica pequena entre os isômeros e por isto, a razão Fe/An torna-se provavelmente menos eficaz em identificar fontes de HPA (Yunker et al, 2000).

122 5. Resultados e Discussão Petróleo Combustão Petróleo D.M. Fe / An 10 1 A.L. MF380 T9 Ar. T22 T32 T31 T24 T56 T24 T56 T28 T7 T46 T1 T32 T7 T57 D43 D43 T54 T46 T57 T54 T55 D39 T28 T55 D34 T51 D53T22D34 T51 T36 T36 T31 D53 D39 T18 T15 T1 T9 T18 T15 Combustão Oil 0,1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Fl / Pi Figura 5.6. Diagrama cruzado de Fenantreno/Antraceno versus Fluoranteno/Pireno para sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e 2003 e MF 380, óleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM). Um diagrama de razão dupla similar a Fe/An versus Fl/Pi, proposta por Yunker e colaboradores (2000): Antraceno/Antraceno+Fenantreno versus Fluoranteno / (Fluoranteno+Pireno) foi empregada para verificar sua habilidade em distinguir entre os aportes de combustão e petróleo. Isto pode ser visto na Figura 5.7. É preciso ressaltar que a razão proposta Fluoranteno/(Fluoranteno+Pireno) (Fl/(Fl + Pi)) apresenta limites mais detalhados para a fonte pirolítica das amostras: ela diferencia fontes de combustão de combustível fóssil (0,4< Fl/(Fl + Pi) <0,5) de fontes de combustão de plantas e carvão (Fl/(Fl + Pi) >0,5). As faixas limítrofes para a razão Fl/(Fl + Pi) e de outras razões apresentadas neste estudo foram estabelecidas por Yunker e colaboradores (2000) e foram baseadas em mais de 40 estudos da literatura internacional, incluindo resultados de aproximadamente 250 amostras tais como vários tipos de petróleos, fontes específicas de combustão (carvão, madeira, gramíneas, combustível fóssil) e amostras ambientais (queima de vegetação, material particulado de túneis, material particulado de estradas, ar urbano). A baixa eficiência para determinar fontes de HPA através dos compostos Antraceno e Fenantreno foi confirmada, pois esta razão Antraceno/Antraceno+Fenantreno (An/An + Fe) incluiu todas as amostras da Baía de

123 5. Resultados e Discussão 101 Guanabara na categoria de amostras com características pirogênicas (An/An + Fe maior que 0,1). Por outro lado, a razão Fl/(Fl+Pi) mostrou uma melhor habilidade em distinguir aportes de hidrocarbonetos de combustão e de petróleo, separando as amostras da Baía de Guanabara em dois agrupamentos: Fl/(Fl+Pi) menor que 0,4 para amostras com características petrogênicas e Fl/(Fl+Pi) maior que 0,4 para aquelas com fontes de combustão (Figura 5.7). Além disto, esta razão também mostrou a capacidade de diferenciação entre características de combustão de madeira/vegetação/carvão (valor maior que 0,5) e de combustão de petróleo, com razão na faixa de 0,4 a 0,5 (Figura 5.7). Isto foi também observado nas amostras do Rio Fraser (Yunker et al, 2000, 2002). 0,6 Combustão Combustão Petróleo Petróleo Vegetação/Madeira/Carvão D39 0,5 T24 T56 T31 D53 An/ (Fe + An) 0,4 0,3 0,2 0,1 A.L. MF380 D.M. T24 T31 T22 T32 Ar. T56 T9 T32 T28 T36 D53 T22 D34 T36 T51 T51 T55 D39 T28 T55 D34 T54 T46 T57 T54 D43 T7 T57 D43 T18 T9 T18 T46T1 T1 T7 T15 T Oil Combustão Petróleo 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Fl / (Fl + Pi) Figura 5.7. Diagrama cruzado de Antraceno/Antraceno+Fenantreno versus Fluoranteno /(Fluoranteno+Pireno) para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e 2003 e MF 380, óleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM). O par de compostos Fluoranteno e Pireno possuem diferença relativa em estabilidade termodinâmica mais elevada que o par Fenantreno e Antraceno, sendo então mais eficaz para determinar as fontes de HPA. Em geral, a maioria das amostras das estações do infralitoral (de T31 adiante) apresentaram características de combustão. Outro diagrama de razão dupla reportada na literatura e utilizada neste estudo foi o Indeno 1,2,3-(cd)Pireno/Indeno 1,2,3-(cd)Pireno+Benzo(ghi)Perileno versus

124 5. Resultados e Discussão 102 Fl/(Fl+Pi). A razão IPi/(IPi+BPe prevê a diferenciação de fontes de combustão de combustível fóssil (0,2< IPi/(IPi+BPe <0,5) de fontes de combustão de plantas e carvão (IPi/(IPi+BPe >0,5) (Yunker et al., 2002). Esta razão apresentou baixa eficiência em diferenciar as fontes petrogênicas das pirolíticas (Figure 5.8). As amostras apresentaram características predominantemente de combustão, a maioria de queima de vegetação/carvão. Esta baixa capacidade em identificação de fontes petrogênicas com esta razão pode ser explicada face à pouca relevância dos compostos Indeno 1,2,3-(cd)Pireno e Benzo(ghi)Perileno na caracterização de petróleos. Geralmente são compostos com baixas concentrações ou ausentes nos óleos. Observa-se que no diagrama cruzado apresentado na Figura 5.8, os óleos MF 380, AL, Ar e DM não foram inseridos pois estes compostos não foram detectados nos óleos. 0,7 Combustão Combustão Petróleo Petróleo Vegetação/Madeira/Carvão 0, T15 Combustão Fl / (Fl + Pi) 0,5 0,4 0,3 T28 T1 T9 T18 T15 T18 T1 T54 D34 D43 T46 T57 T51T55 T54 T28 T46 T36 D39 D34 T36 T7 T57 T55 D53 T22 T31 T7D53 D39 T32 T56 T9 D43 Combustão Petróleo T56 0,2 T32 T22 T31 0,1 T24 T24 Petróleo 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 IPi / (IPi + BPe) Figura 5.8. Diagrama cruzado de Indeno 1,2,3-(cd)Pireno/Indeno 1,2,3-(cd)Pireno+ Benzo(ghi)Perileno versus Fluoranteno/(Fluoranteno + Pireno) para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e Além da razão diagnóstica parental Fl/(Fl+Pi), foi observado que a razão alquilada Fenantreno/Antraceno/(Fenantreno+Antraceno+C1Fenantreno) (Yunker et al, 2000) também exibiu uma capacidade elevada para discriminar as fontes das amostras da Baía de Guanabara. Esta razão foi diagramada contra Fl/(Fl+Pi) e está na ilustrada na Figura 5.9. O diagrama duplo destas duas razões exibiu a mais elevada habilidade em diferenciar as fontes pirogenênicas e petrogênicas dos HPA para este estudo (Meniconi and Barbanti, 2007).

125 5. Resultados e Discussão 103 Observou-se que a razão Fe+An/(Fe+An+C1Fe) foi capaz de separar as amostras em 2 agrupamentos. As amostras com razão maior que 0,5 correspondem as fontes de combustão dominante e menor que 0,5 podem indicar características tanto de combustão quanto de petróleo, conforme comprovado por Yunker e colaboradores (2000). 0,7 Petróleo ou Combustão Combustão Fl / (Fl + Pi) 0,6 0,5 0,4 0, Oil T32 T7 T9 T28 T15 T18 T1 T15 T9 T18 T46 D34 D43T1 T54 T46 T51 T55T54 T28 T51 D43 T36 D39 D34 D53T36T55 T57 T22 T7 T31 D53 D39 T56 T57 Vegetação/Madeira/Carvão Combustion Combustão Petróleo 0,2 T32 T22 T31 Ar. T56 Petróleo 0,1 T24 T24 A.L. D.M. MF ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 (Fe + An) / (Fe + An + C1Fe) Figura 5.9. Diagrama cruzado de Fluoranteno/(Fluoranteno+Pireno) versus Fenantreno+Antraceno/(Fenantreno+Antraceno+C1Fenantreno) para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas de 2000 e 2003 e MF 380, Petróleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM). Como mencionado anteriormente, a razão Fl/(Fl+Pi) apresentou a habilidade de diferenciar entre aportes de combustão e petróleo, separando as amostras em 2 agrupamentos: razão menor que 0,4 para amostras com características petrogênicas dominantes e razão maior que 0,4 para aquelas de fontes pirolíticas (combustão de petróleo e combustão de madeira/gramíneas/carvão). Então, foi observado que, para as amostras de sedimento da Baía de Guanabara com Fl/(Fl+Pi) maior que 0,4 e Fe+An/(Fe+An+C1Fe) maior que 0,5, a combustão é a fonte dominante dos HPA. Isto corresponde ao quadrante superior direito do diagrama da Figura 5.9. As amostras com essas características foram D34 T36, D43, D53, T54, T55, T57, para a campanha de 2000 e T1, T9, T36, D43, T54, T55, T57 para a campanha de 2003 a maioria delas da região do infralitoral da baía. A interpretação deste diagrama de razão dupla forneceu boa relação com o perfil de distribuição completo para estas amostras, como pode ser observado nos Anexos F1 e F2 e, mais detalhadamente, nas Figuras 5.2 e 5.3, onde estão

126 5. Resultados e Discussão 104 apresentadas as distribuições dos HPA com assinaturas predominantemente pirolíticas. Amostras com Fl/(Fl+Pi) menor que 0,4 (aporte de petróleo) e Fe+An/(Fe+An+C1Fe) menor que 0,5 (pode representar aportes tanto de petróleo quanto de combustão) corresponderiam então a amostras com fontes petrogênicas predominantes. Isto corresponde ao quadrante inferior esquerdo do diagrama, preenchido com cor cinza escuro (Figura 5.9). Para a Baía de Guanabara, as amostras T7 T9, T22, T24, T31, T32 (campanha de 2000) e T7, T22, T24, T28, T31, T32 (campanha de 2003), situadas no quadrante inferior esquerdo do diagrama, refletem esta assinatura petrogênica. A maioria destas amostras estão localizadas na região de intermaré da baía, atingidas pelo óleo derramado em 2000; contam também com algumas mostras do infralitoral de áreas próximas ao local do acidente. Importante enfatizar que as amostras de óleo analisadas em conjunto com as amostras de sedimento da baía (MF 380, petróleo árabe, óleo leve e óleo diesel) situaram nitidamente no quadrante inferior esquerdo do diagrama (círculo em destaque), confirmando suas características petrogênicas. Novamente, verificou-se que a interpretação de fontes de hidrocarbonetos baseada nas razões duplas de HPA (área cinza escuro da Figura 5.9) refletem as características da distribuição global dos HPA para estas amostras da Baía de Guanabara (Figura 5.1 e Anexo F). Já as amostras com Fl/(Fl+Pi) maior que 0,4 (aporte pirolítico) e Fe+An/(Fe+An+C1Fe) menor que 0,5 (aporte petrogênico ou de combustão) corresponderiam então, face a contribuição pirolítica da razão Fl/(Fl+Pi), a fonte de combustão predominante. Isto corresponde ao quadrante superior esquerdo do diagrama da Figura 5.9 com as amostras de T1, T15, T18, T28, T51 para a campanha de 2000 e as amostras de T15, T18, T34, D39, T46 para a campanha de 2003 (área sombreada de cinza claro, quadrante esquerdo). Deste modo, uma grande parte das amostras da Baía de Guanabara mostrou características pirolíticas, situadas em ambos os quadrantes superiores esquerdo e direito do diagrama. Isto inclui as amostras das estações T1, T9, T15, T18, T28, D34, T36, D39, T43, T46, T51, T54, T55, T57 a maioria delas da região do infralitoral da baía. Este resultado comprova a relevância da deposição de partículas formadas por combustão incompleta na região da Grande Rio de Janeiro, confirmando observações

127 5. Resultados e Discussão 105 reportadas na literatura de associação entre a proximidade de grandes centros urbanos e contribuição importante de emissões atmosféricas de pólos industriais e de estradas com intenso tráfego veicular (Laflame and Hites, 1977, Sicre, 1987, McElroy et al., 1989, Aboul-Kassim and Simoneit, 1995, Budsinsky et al., 1997, Yunker et al., 2002).Este predomínio de contaminação pirolítica em sedimentos da Baía de Guanabara foi também evidenciada em estudos pretéritos conduzidos na região (Chalaux, 1995, Hamacher, 1996, Gabardo et al., 2001). Verificou-se ainda, para esta razão cruzada, a presença de algumas amostras da Baía de Guanabara com características conflitantes, isto é, com Fl/(Fl+Pi) menor que 0,4 (aporte petrogênico) e Fe+An/(Fe+An+C1Fe) maior que 0,5 (aporte pirolítico). Isto corresponde ao quadrante inferior direito da Figura 5.9 (cor branca). Assim, não foi possível identificar com clareza as fontes dominantes para os sedimentos das estações D39 (campanha 2000), D53 (campanha 2003) e T56 (campanhas 2000 e 2003), refletindo, provavelmente, uma forte superposição de aportes petrogênicos e pirolíticos de HPA. Uma investigação temporal na baía pode ser feita comparando os dados das campanhas de 2000 e 2003 obtidas para a razão Fl/(Fl+Pi) versus Fe+An/(Fe+An+C1Fe). Não foram verificadas mudanças relevantes nos tipos de fontes predominantes de hidrocarbonetos para as amostras deste estudo. Só as amostras de T9 e T28 mostraram uma contribuição diferente de fonte de HPA de uma campanha para a outra. Na campanha de 2000, a amostra T9 mostrou características predominantemente petrogênicas, confirmando a inspeção visual da região de intermaré atingida pelo petróleo depois do derramamento de janeiro de 2000, que foi mais afetada. Uma outra razão composicional usado para diferenciar os HPA pirolíticos e petrogênicos é o índice pirolítico reportado por Wang. et al (1999), que é definido como a razão entre os HPA parentais prioritários da EPA de 3 a 6 anéis aromáticos e as 5 séries de HPA alquillados [ (HPA parentais de 3-6 anéis)/ (5 séries de HPA alquilados)]. Esta razão fornece alta exatidão e consistência uma vez que a interferência de flutuações de concentração de um composto para outro é minimizada. Baseados em mais de 60 óleos e produtos de petróleo analisados por

128 5. Resultados e Discussão 106 Wang e colaboradores, as razões com valores até 0,08 para o índice pirolítico indicaram categoricamente a contribuição de petróleo e produtos refinados enquanto valores superiores a 0,5 (razão de ordem de grandeza uma vez maior) indicaram fontes derivadas de combustão. Para as amostras da Baía de Guanabara, o índice pirolítico definido por Wang e colaboradores (1999) apresentou uma boa resolução (Figura 5.10), agrupando as estações principalmente do infralitoral, e excepcionalmente as estações de intermaré T1 (de ambas as campanhas) e T9 (da campanha de 2003), na região do diagrama que corresponde às amostras com características pirolíticas [( (HPA parentais de 3-6 anéis)/ (5 séries de HPA alquilados) > 0,05]. Tal distribuição confirmou os resultados obtidos através do diagrama de razão dupla de Fl/(Fl+Pi) versus Fe+An/(Fe+An+C1Fe). Além disso, pode ser visto na Figura 5.10 que o índice pirolítico alocou as amostras de T7, T9, T22, T24 da campanha de 2000 e de T32 da campanha de 2003 no quadrante relativo às amostras com fontes nitidamente petrogênicas, alinhadas com as amostras de óleo analisadas (ver valores das razões no Anexo G). A interpretação deste índice pirolítico apresentou estreita relação com a distribuição dos HPA individuais das amostras analisadas, como poder ser observado nos Anexos F1 e F2 e, mais detalhadamente, nas Figuras 5.1, 5.2 e 5.3. Porém, a razão ainda alocou algumas amostras, principalmente da área de intermaré, entre os valores de 0,08 até 0,5 (área sombreada de cinza no diagrama). Estas amostras não tiveram suas fontes predominantes definidas pelo índice pirolítico, apresentando características de mistura de aportes de HPA.

129 5. Resultados e Discussão Petróleo 0,08 0,06 0,5 Combustão Oil Petróleo D.M. Fe / An 10 1 T28 A.L. MF380 T9 T7 Ar. T32 T22 T32 T31 T24 T24 T15 T15 T46 T1 T18 T18 T7 T9 T46 D39 T28 D34 T22 T31 D43 T51 D34 T1 T57 T54 T56D53 T36 T54 T55 T36 D43 T57 T55 T51 D53 T56 D39 Combustão 0,1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 (Outros HPA 3-6 anéis) / (5 séries HPA alquilados) Figura Diagrama das razões [ (HPA parentais de 3-6 anéis)/ (5 séries de HPA alquilados)]. versus Fenantreno/Antraceno para sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas de 2000 e de 2003 e e MF 380, Petróleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM). Na Figura 5.11 é apresentado um diagrama de razão dupla pioneiro, [ (HPA parentais de 3-6 anéis)/ (5 séries de HPA alquilados)] versus Fl/(Fl+Pi), que trouxe alguma resolução para o índice pirolítico na faixa dos valores de 0,08 a 0,5 (área cinza da Figura 5.10). Como previamente reportado, seria esperado uma predominância de fontes petrogênicas para as amostras com Fl/(Fl+Pi) menor que 0,4, enquanto amostras com valores de Fl/(Fl+Pi) maiores que 0,4 mostrariam características de combustão. Desta maneira, a razão cruzada [ (HPA parentais de 3-6 anéis)/ (5 séries de HPA alquilados)] versus Fl/(Fl+Pi) indicaria a contribuição petrogênica nas amostras situadas no quadrante inferior à esquerda da Figura 5.11, isto é, índice pirolítico menor que 0,5 e Fl/(Fl+Pi) menor que 0,4 (área sombreada de cor cinza escuro). Estas amostras estão, majoritariamente, localizadas na região de intermaré da Baía de Guanabara atingidas pelo óleo derramado em 2000; as exceções são amostras da região do infralitoral situadas próximas ao local do acidente. As amostras localizadas no quadrante superior sombreada de cinza claro da Figura 5.11 (índice pirolítico maior que 0,08 e Fl/(Fl+Pi) maior que 0,4) apresentariam fonte pirolítica predominante a maioria das amostras da região do infralitoral da baía. Um terceiro grupo de amostras (T56, D39 e D53), localizadas no quadrante inferior à direta da Figura 5.11 (área de cor branca), apresenta ainda uma superposição de fontes de hidrocarbonetos. No entanto, o número de amostras sem

130 5. Resultados e Discussão 108 definição de suas fontes predominantes para esta razão (índice pirolítico versus Fl/(Fl+Pi) foi muito menor que para a razão cruzada apresentada na Figura 5.10 (índice pirolítico versus Fe/An). Pode ser observado que o padrão final desta razão cruzada correspondeu razoavelmente para o padrão obtido pela razão dupla Fl/(Fl+Pi) versus Fe+An/(Fe+An+C1Fe) da Figura 5.9, dando consistência à este estudo (Meniconi and Barbanti, 2007). Fl / (Fl + Pi) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Petróleo 0,08 0,06 0,5 T15 T18 T15 T18 T46 T46 T28 D39 T7 T22 T31 T7 T32T28 T9 T1 T9 D34 D34 Combustão T51 D43 T54 T56 T36 D53 T1 T57 T55 T54 T36 T57 T51 T55 D43 D53 D39 Combustão Vegetação/Madeira/Carvão Combustão Petróleo T56 0,2 0,1 T32 T22T31 Ar. T24 D.M. MF380T24 A.L Oil Petróleo 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 (Outros HPA 3-6 anéis) / (5 séries HPA alquilados) Figura Diagrama das razões Fluoranteno/(Fluoranteno+Pireno) versus [ (HPA parentais de 3-6 anéis)/ (5 séries de HPA alquilados)] para sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas de 2000 e de 2003 e MF 380, Petróleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM). Outro índice composicional utilizado para diferenciar entre o HPA natural e o petrogênico foi a abundância relativa de perileno reportada por Baumard.et al, 1998b, que estabelece a razão entre o perileno e os isômeros de 5 anéis (perileno/( (HPA de 5 anéis)) sendo HPA de 5 anéis os compostos benzo(b)fluoranteno, benzo(k)fluoranteno, benzo(a)pireno, benzo(e)pireno e dibenzo(a,h)antraceno (BbFl, BkFl, BaPi, BePi e DBAn). Razão superior a 10 indica aporte diagenético natural. A maioria das amostras da região de intermaré da Baía de Guanabara (T1,T7, T15, T18, T22, T28) e os sedimentos T31, T32, T46, D43 do infralitoral indicaram uma contribuição de hidrocarboneto natural, possivelmente oriunda da plantas dos manguezais da baía (Figura 5.12; Anexo G ). Estes dados confirmaram os resultados obtidos no estudo diagnóstico após o acidente de janeiro de 2000 (UFRJ et al., 2000), onde os perfis cromatográficos da fração saturada destes sedimentos

131 5. Resultados e Discussão 109 evidenciaram uma maior contribuição de n-alcanos de número ímpar de carbono na faixa de C25 a C33, típico de aporte de detritos de plantas vasculares. Abundância de Perileno (%) Amostras Figura Abundância relativa de perileno (Perileno/( BbFl, BkFl, BaPi, BePi e DBAn) para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas de 2000 e de O diagrama cruzado C3BDT/C3Fe versus C2BDT/C2Fe, utilizado por Page e colaboradores (1995), Bence e Burns (1995) e Boehm, 2001 nos estudos de fontes de hidrocarbonetos em Prince William Sound, Alasca, após acidente do Exxon Valdez em 1989, foi também testado para as amostras de sedimento da Baía de Guanabara (Figura 5.13). Estas razões são usualmente utilizadas uma vez elas não são afetadas pelo intemperismo da amostra, pois ambos os compostos apresentam taxas de degradação similares, mantendo a mesma razão que a da fonte original, antes do processo de degradação. Amostras de mesma origem formam um agrupamento no diagrama de C3BDT/C3Fe versus C2BDT/C2Fe, apresentando valores similares. Observou-se um nítido agrupamento para a maioria dos sedimentos analisados, incluindo o óleo combustível MF 380, o óleo diesel (D.M.) e o óleo leve (Ar), indicando natureza/origem predominante similar para as amostras. Estes óleos têm como base em suas linhas de produção, óleos da bacia sedimentar marginal brasileira, amplamente utilizados nas refinarias nacionais. Somente as amostras T43, D34, o óleo árabe (AL), T7 e T31 constituíram exceção (valores das razões no anexo G). Este resultado traduz a complexidade das amostras analisadas da baía e a dificuldade inerente para a identificação das fontes.

132 5. Resultados e Discussão Oil 5 D43 C3DBT/C3Fe T7 D34 A.L. 1 0 T57 T32 T1 T31 T7 T22 T36 T28 D53 T57 T9 T32 D39 D43 T51 T46 T55 T54 T56 T24 T18 T22 T18 T36 D34 D39 T54 D53 T15 T46 T55 MF380 T56 T28 T9 ArḊ.M. T51 T31 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 C2DBT/C2Fe Figura Diagrama cruzado de C3BDT/C3Fe versus C2BDT/C2Fe para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e 2003 e MF 380, Petróleo árabe (AL), óleo leve (Ar) e óleo diesel (DM). Neste trabalho foi ainda realizada uma avaliação qualitativa da degradação dos HPA nas amostras de sedimento entre os anos 2000 e 2003, utilizando-a razão de C2Criseno/C2Fenantreno. Ao longo do tempo, o criseno é mais resistente à degradação que o fenantreno e existe uma tendência de aumento da relação C2Criseno/C2Fenantreno devida ao enriquecimento relativo do criseno (Page et al., 1995). Para as amostras de sedimento da Baía de Guanabara a média da razão C2Criseno/C2Fenantreno variou de 0,83 em 2000 para 1,36 em 2003, indicando um pequeno aumento da abundância relativa do criseno e, consequentemente, uma leve degradação das amostras (valores da razão no Anexo G). A Figura 5.14 ilustra as contribuições de cada amostra para este enriquecimento relativo do criseno observado. Verifica-se que os sedimentos T22, T24, D43 e T51 foram os que apresentaram as maiores variações da razão. As duas primeiras amostras estão localizadas na região de intermaré próximo ao local de vazamento em janeiro de 2000, podendo refletir a influência localizada do derrame. Já as amostras D43 e T51 podem estar relacionadas com a heterogeneidade do sedimento da baía.

133 5. Resultados e Discussão C2C/C2Fe T1 T7 T9 T15 T18 T22 T24 T28 T31 T32 T36 T46 T51 T54 T55 T56 T57 D34 D39 D43 D53 Amostras Figura Razão C2Criseno/C2Fenantreno para os sedimentos da Baía de Guanabara das campanhas 2000 e Em resumo, as razãos diagnósticas de HPA utilizadas neste estudo que puderam melhor diferenciar entre os aportes pirolíticos e petrogênicos para os sedimentos da Baía de Guanabara foram Fe+An/(Fe+An+C1Fe), (HPA parentais de 3-6 anéis)/ (5 séries de HPA alquilados) e Fl/(Fl+Pi). Estas razões diagnósticas indicaram que os sedimentos da Baía de Guanabara podem ser separados em três grupos distintos: um com um padrão típico de introdução petrogênica (região de intermaré atingida pelo óleo derramado em 2000, principalmente nas imediações do acidente), outro com as características de aporte de combustão (predominantemente da região do infralitoral) e um terceiro com contribuições sobrepostas de aportes petrogênicos e pirolíticos (região do infralitoral). Além disso, a abundância relativa de perileno em relação a seus isômeros de 5 anéis apresentou a habilidade de apontar uma contribuição de HPA natural diagenética aos sedimentos da baía, que ocorreu na região de intermaré próximo aos manguezais da baía. A Figura 5.15 ilustra a classificação das fontes de HPA para os sedimentos estudados na Baía de Guanabara: pirolítica, petrogênica, mistura e natural.

134 5. Resultados e Discussão 112 Mistura Pirolítica Petrogênica Diagenética Figura Classificação das fontes de HPA para os sedimentos da Baía de Guanabara considerando as campanhas 2000 e A avaliação temporal da natureza das fontes predominantes de HPA na Baía de Guanabara entre os anos de 2000 e 2003 não apontou variações relevantes, sugerindo uma correlação mais estreita destes compostos com o expressivo aporte crônico de hidrocarbonetos na região.