a contribuiÇÃo dos biomarcadores na geoquÍmica...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE – FURG
Instituto de Oceanografia
Laboratório de Oceanografia Geológica
Programa de Recursos Humanos nº 27 ANP
A CONTRIBUIÇÃO DOS BIOMARCADORES NA GEOQUÍMICA MARINHA
Monografia apresentada à
Fundação Universidade Federal de
Rio Grande, como parte dos
requisitos para a obtenção do título
de Formação em Oceanologia.
Acadêmica: Évellin Keith Da Collina
Orientador: Paulo Roberto M. Baisch
Co-orientadora: Maria Isabel Machado
Rio Grande, dezembro de 2011.
Sumário RESUMO ......................................................................................................................... 1
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 2
1.1 Matéria orgânica ..................................................................................................... 2
1.2 Biomarcadores geoquímicos .................................................................................. 3
1.3 Principais biomarcadores e suas relações ............................................................... 6
1.4 Cone do Rio Grande ............................................................................................. 10
1.5 Laboratório de Oceanografia Geológica – LOG/FURG....................................... 11
1.6 Justificativa ........................................................................................................... 12
2 OBJETIVOS ................................................................................................................ 13
3 METODOLOGIA ........................................................................................................ 14
3.1 Sedimentos do Cone do Rio Grande .................................................................... 14
3.1.1 Área de estudo ............................................................................................... 14
3.1.2 Amostragem .................................................................................................. 15
3.1.3 Coleta de sub-amostra ................................................................................... 16
3.1.4 Analise granulométrica .................................................................................. 17
3.1.5 Analise dos biomarcadores ............................................................................ 17
3.2 Analise do óleo ..................................................................................................... 23
3.3 Elaboração do guia ............................................................................................... 23
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................... 24
4.1 Implementação da analise ..................................................................................... 24
4.1.1 Comparação das Rampas ............................................................................... 24
4.1.2 Quantidade extraída ....................................................................................... 25
4.1.3 Tipo de extração ............................................................................................ 26
4.2 Cone do Rio Grande ............................................................................................. 27
4.2.1 Coloração dos sedimentos ............................................................................. 27
4.2.2 Granulometria ................................................................................................ 28
4.2.3 Interpretação dos cromatogramas .................................................................. 29
4.3 Análise do óleo ..................................................................................................... 31
4.3.1 Centrifugação................................................................................................. 31
4.3.2 Diluição ......................................................................................................... 31
4.3.2 Interpretação dos cromatogramas obtidos ..................................................... 32
5 GUIA ....................................................................................................................... 34
Maturação ............................................................................................................... 35
Condições Paleoambientais .................................................................................... 38
Origem .................................................................................................................... 38
Contaminação por óleo ........................................................................................... 41
6 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 43
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 44
Lista de Figuras
Figura 1: Fase da evolução da matéria orgânica sedimentada. Fonte: Tissot & Welte
(1984), apud Silva (2007). ................................................................................................ 2
Figura 2: Isopreno, unidade estrutural básica dos biomarcadores. ................................... 4
Figura 3: Transformação diagenética do percursor Colesterol no biomarcador Colestano,
um esterano de 27 carbonos. Fonte: Silva, 2007. ............................................................. 9
Figura 4: Diagrama de proporções de HC saturados, aromáticos e heterocompostos
(NSO), para inferência da evolução térmica da MO. Fonte: Silva (2007). .................... 10
Figura 5: Indicação de uma feição característica de escape de gás, encontrada no Cone
do Rio Grande. Fonte: Rosa et al. (2006). ...................................................................... 11
Figura 6: Extensão da Bacia de Pelotas com seus limites, e localização do Cone do Rio
Grande. Fonte: Rosa et al., 2006. ................................................................................... 14
Figura 7: Testemunhos selecionados para análise. Fonte: Google Earth, acesso em
10/10/2011 ...................................................................................................................... 15
Figura 8: Testemunho aberto e amostra em placa de petri. ............................................ 16
Figura 9: Extração por ultra-som (A); extração em soxhlet (B); amostra em rotavapor
(C). .................................................................................................................................. 19
Figura 10: Coluna de cromatografia líquida, para separação das frações F1 e F2. ........ 20
Figura 11: Rampa de temperatura para analise dos compostos alifáticos. ..................... 21
Figura 12: Rampa 1 para analise da fração F2. .............................................................. 21
Figura 13: Rampa 2 para analise de F2. ......................................................................... 21
Figura 14: Esquema de um terpano pentacíclico mostrando região mais frágil da
molécula, que irá gerar os íons lidos no espectro de massa. Fonte: Hunt (1995), apud
Silva (2007). ................................................................................................................... 22
Figura 15: Cromatogramas gerados pelas diferentes rampas. Rampa 1 à esquerda e
rampa 2 à direita. ............................................................................................................ 24
Figura 16: Coloração comum aos testemunhos analisados, olive-gray na porção central
e light olive-gray nas margens. ....................................................................................... 27
Figura 17: Diagrama de Shepard para as amostras U1, U2, U3 e U4 acima, e para as
amostras S1, S2 e S3, abaixo. ......................................................................................... 28
Figura 18: A composição sedimentar fina do Cone do Rio Grande e a proximidade com
grãos de areia que podem ter originado os grânulos encontrados nos testemunhos.
Fonte: Martins et al. (2003). ........................................................................................... 29
Figura 19: Cromatograma m/z 85 da amostra S1. .......................................................... 29
Figura 20: Cromatograma m/z 217 da fração F1, da amostra S3, o pico refere-se ao
padrão interno (5-β-colano). ........................................................................................... 30
Figura 21: Cromatograma da fração F2, m/z 231 da amostra U4, o pico indicado é
referente ao padrão o-terfenil. ........................................................................................ 30
Figura 22: Cromatogramas do óleo sem diluição (A) e diluído 5 (B), 10 (C) e 50 (D)
vezes. .............................................................................................................................. 31
Figura 23: Distribuição dos n-alcanos, no m/z 85 da fração F1 do óleo. ....................... 32
Figura 24: Comparação do cromatograma m/z 191 do óleo com óleo venezuelano
identificado. .................................................................................................................... 33
Figura 25: Correlação dos parâmetros de origem pristano, fitano e n-alcanos de 17 e 18
carbonos. Adaptado de Regato (2008). .......................................................................... 37
Figura 26: Diagrama ternário dos esteranos regulares, indicando possível fonte de
matéria orgânica. Fonte: Adaptado de Peters et al. (2005). ........................................... 40
1
RESUMO
Os biomarcadores geoquímicos, ou marcadores moleculares, são moléculas orgânicas
presentes em rochas, sedimentos e óleos, que guardam semelhança com sua molécula
precursora, sintetizada por organismos vivos. Seu estudo na geoquímica orgânica tem sido
amplamente utilizado, por serem capazes de gerar informações que auxiliam no estudo da
origem e da maturação da matéria orgânica. Sua presença pode ser determinada por meio de
cromatografia gasosa acoplada a espectometria de massas – GC/MS. O Cone do Rio Grande
(uma feição geomorfológica localizada ao sul da Bacia de Pelotas), apesar de apresentar
condições para formação e acumulo de gás, despertando o interesse da indústria do petróleo,
apresenta poucos estudos relacionados à geoquímica orgânica de seus sedimentos. O
Laboratório de Oceanografia Geológica (LOG) da Universidade Federal do Rio Grande –
FURG realiza diversas pesquisas no ramo da geoquímica ambiental, entretanto, nunca realizou
pesquisas relacionadas à biomarcadores, apesar de apresentar estrutura para tanto. Portanto,
devido à necessidade da implementação da análise de biomarcadores no LOG, tendo em vista
todas as potencialidades que esse tipo de análise permite aos estudos dos hidrocarbonetos e do
meio ambiente, somada a escassez do conhecimento geoquímico no Cone do Rio Grande,
realizou-se o presente trabalho. Os procedimentos da analise de biomarcadores foram
considerados satisfatórios, uma vez que conseguiu-se identificar a presença de alguns
biomarcadores em amostras de um óleo pesado. No entanto, não foram identificados
biomarcadores nas amostras de sedimentos superficiais do Cone do Rio Grande.
Palavras chave: Biomarcadores geoquímicos, Cone do Rio Grande, cromatografia gasosa
aplicada a esctrometria de massas.
2
1 INTRODUÇÃO
1.1 Matéria orgânica
A matéria orgânica (MO) é a matéria-prima geradora de combustíveis fósseis. A busca
por esses combustíveis em ambiente oceânico faz-se cada vez mais presente, uma vez que a
demanda é alta e reservas terrestres são escassas no Brasil.
A principal fonte de MO nos sedimentos marinhos são os organismos vivos
autotróficos, que através da fotossíntese transformam o carbono inorgânico em orgânico,
disponibilizando-o para os demais níveis tróficos. A contribuição dos organismos eutotróficos
no incremento da MO se dá por meio do crescimento e reprodução (Killops & Killops, 2005).
Após a morte, parte da biomassa dos organismos (normalmente menos de 0,1%) é
sedimentada (Holser et al., 1988, apud Killops & Killops, 2005) e passa a sofrer alterações
causada por fatores físicos, químicos e biológicos (ação bacteriana). Dependendo das condições
de sedimentação a MO pode ser totalmente oxidada na forma de gás carbônico (CO2), ou ser
enterrada e preservada, o que corresponde a uma pequena porção (Hedges & Keil, 1995). Essa
MO preservada nos sedimentos fica submetida a variações de pressão e temperatura, devido ao
aumento gradual do pacote sedimentar e estará sujeita a diversas transformações, que podem ser
conceitualmente separadas em três estágios evolutivos, diagênese, catagênese e metagênese
(Figura 1).
Figura 1: Fase da evolução da matéria orgânica sedimentada. Fonte: Tissot & Welte (1984), apud Silva (2007).
A diagênese corresponde, principalmente, à atividade microbiana sobre a matéria
orgânica em sedimentos recém depositados (temperaturas normalmente inferiores a 65°C). As
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proteínas e carboidratos são quebrados em aminoácidos e açucares, os lipídeos em glicerois e os
ácidos graxos e ligninas em fenóis e ácidos aromáticos. Além disso, as mudanças químicas mais
presentes nessa fase consistem na perda de grupos funcionais e polimerização, que aumentam a
condensação e insolubilização da matéria orgânica, formando o querogênio e o betume (Killops
& Killops, 2005). É nessa fase em que há produção significativa de metano (CH4).
A catagênese inicia-se quando há aumento significativo da temperatura (até
aproximadamente 120°C), relacionado ao grau geotérmico, o qual consiste no aumento da
pressão devido à deposição sedimentar. Nessa etapa o querogênio perde suas cadeias alifáticas e
é transformado em hidrocarbonetos líquidos, óleo (“janela do óleo”), condensado e gás úmido
(“janela do gás”).
O crescente aumento da temperatura (a partir de 210°C) ocasiona a fase de metagênese,
início do metamorfismo, onde a matéria orgânica se restringe a gás seco e resíduo carbonoso,
que corresponde à facie xisto-verde (Tissot & Welte, 1984).
Os fatores mais favoráveis à preservação e acúmulo de MO nos sedimentos são: um alto
aporte de matéria orgânica (a qual pode ser tanto alóctone como autóctone – geradas distantes
ou no próprio local de deposição, respectivamente), pouco oxigênio dissolvido na coluna de
água e nos sedimentos, baixa hidrodinâmica local, granulometria fina e alta taxa de
sedimentação (Meyers, 1997; Demaison & Moore, 1980).
O estudo da MO em sedimentos, tanto a identificação de sua fonte como o estágio de
maturação térmica em que se encontra, pode ser feito pelo ramo da geoquímica orgânica que
estuda os biomarcadores geoquímicos.
1.2 Biomarcadores geoquímicos
Biomarcadores geoquímicos (também denominados marcadores moleculares ou fósseis
geoquímicos) são moléculas orgânicas complexas e estáveis, presentes em rochas, óleos e
sedimentos, que podem ser analisadas (identificadas e até quantificadas) em cromatógrafos
gasosos com espectômetro de massas acoplado (CG-MS). São derivados de moléculas da
membrana plasmática dos organismos vivos (procarióticos ou eucarióticos), chamadas de
precursoras e que apresentam alto grau de especificidade (Brocks & Summons, 2003). A
unidade estrutural básica da maioria dos biomarcadores é o isopreno ou metilbutadieno (Figura
2). Os grupos de biomarcadores mais estudados podem ser divididos em acíclicos (n-alcanos,
4
com destaque aos isoprenóides - pristano e fitano), cíclicos (esteranos e terpanos) e aromáticos
(esteranos aromáticos e fenantrenos).
Figura 2: Isopreno, unidade estrutural básica dos biomarcadores.
A semelhança entre os biomarcadores e suas moléculas precursoras (sintetizadas pelos
organismos vivos) e a relação entre os diversos biomarcadores fornecem subsídios para
inferência de informações, como origem da MO, características paleoambientais, grau de
evolução térmica, identificação de óleos (fingerprint) e relação rocha-óleo. Entretanto, as
informações separadas não são absolutamente confiáveis, necessitando o maior número de
relações possíveis para se obter uma boa interpretação. Abaixo será descrito as inferência
possíveis de serem obtidas através dos biomarcadores.
Origem da matéria orgânica:
A origem da MO pode ser inferida devido ao fato que organismos distintos sintetizam
moléculas semelhantes em função, mas com estrutura ligeiramente diferente. Isto é, apesar de
todos os organismos sintetizarem esteróis, o número de carbonos na cadeia principal é variável
conforme o habitat. Pode-se inferir, basicamente, se a MO é oriunda de organismos terrestres,
marinhos ou lacustres (Peters et al., 2005; Brocks & Summons, 2003).
Características Paleoambientais:
Dependendo das características ambientais no momento de deposição, as moléculas
podem sofrer alterações diferenciadas (Peters et al., 2005; Cmiel & Fabianska, 2004; Brocks &
Summons, 2003; Holba et al., 2003), como no caso dos isoprenóides que fornecem informações
acerca do pH no ambiente durante sua deposição. As alquenonas são sintetisadas por
organismos com mais insaturações quanto menor a temperatura, gerando informações para
inferência da palotemperatura local (Lourenço, 2007).
5
Ainda, a evolução das espécies indica que os diferentes grupos de organismos (algas,
vegetais superiores, bactérias e fitoplancton) ocuparam determinado ambiente ao longo do
tempo geológico. Consequentemente, muitos biomarcadores são característicos de determinado
tempo cronológico e podem ser utilizados como ferramenta geocronológica (Lima, 2005).
Grau de evolução térmica (maturação):
Com o aumento da temperatura causado pelo grau geotérmico, os biomarcadores sofrem
alterações estruturais (isomerização e aromatização dos compostos) e degradação térmica
(compostos menos estáveis desaparecem – se quebram em moléculas menores sem identificação
– e os mais estáveis se sobrepujam). Assim, o monitoramento dessas alterações e a relação de
compostos estáveis e instáveis permitem estabelecer o grau de maturação térmica da MO em
óleos, sedimentos e rochas (Killops & Killops, 2005; Brocks et al., 2003; Miles, 1989).
Entretanto, a maturação pode variar conforme a litologia da rocha fonte, por exemplo os
minerais de argila apresentam sítios ativos que podem catalisar algumas reações de
isomerização, assim, relações que utilizam isômeros em sua interpretação acusarão uma MO
mais madura do que a realidade, isso ressalta a importância de se utilizar o máximo de
biomarcadores e suas relações quanto for possível, assim como, sua integração com informações
adicionais a cerca do ambiente de estudo, possibilitando uma interpretação mais real.
Identificação de óleos (fingerprint):
A composição dos óleos, principalmente, referente aos biomarcadores, é muito
particular, gerando cromatogramas específicos para cada rocha-fonte, e seu óleo gerado. Essa
caracterização é chamada de fingerprint, exatamente por ser um tipo de impressão digital. O que
pode ser aplicado no caso de identificar responsável por derrames.
Relação rocha-óleo:
O óleo apresentará composição semelhante a seu sítio gerador. Assim, amostras de óleo
podem fornecer informações acerca da rocha geradora, e o oposto também ocorre, quando pode-
se inferir a qualidade do óleo a ser extraído com analise geoquímica do sítio de exploração.
Existem ainda os biomarcadores indicadores de migração, os quais em conjunto com o
conhecimento geológico da bacia permitem conhecer as vias de migração, chegando-se a sua
rocha geradora (Lima, 2005).
6
Grau de degradação:
A degradação de orgânicos, tanto em óleos como em rochas e sedimentos altera a
concentração e composição dos biomarcadores. Ortiz e Gallego (2003) aplicam terpanos e
esteranos como forma de acompanhar a recuperação ambiental, por emprego de
microorganismos aplicados na degradação de óleo, em ambientes contaminados. Lima (2005)
destaca a importância de se identificar em uma bacia, a região menos passível de biodegradação,
aumentando as chances de localizar óleo em melhores condições de exploração.
1.3 Principais biomarcadores e suas relações
Assim, para obtenção das informações supracitadas necessita-se identificar e quantificar
moléculas chave, ou grupos de moléculas e estabelecer relações entre elas. A descrição dos
diversos grupos de biomarcadores, a forma de aplicá-los e interpretá-los seguem abaixo:
1.3.1 Acíclicos
- n-alcanos
Os n-alcanos em geral constituem um grupo de hidrocarbonetos de cadeia aberta.
Podem ser originários, principalmente, de fito e zooplancton, algas, plantas superiores ou
bactérias.
Os n-alcanos de baixa massa molecular (de 12 a 20 carbonos) apontam uma origem
marinha da MO, e os de alta massa molecular, com predominância par (C24 a C32) são
derivados de ceras vegetais de plantas superiores, apontando uma origem continental. Os n-
alcanos leves e ímpares são de origem algálica (Cmiel et al., 2004; Fabianka et al., 2003;
Simons et al., 2003; Peters & Moldowan, 1993; Brassell et al., 1978; Cranwell, 1978;),
entretanto em material mais maduro essa interpretação deve ser mais cautelosa, uma vez que
moléculas mais pesadas podem ser craqueadas (Tissot & Welt, 1984).
O índice preferencial de carbonos (IPC, ou CPI em inglês) aplicados aos n-alcanos é a
razão entre moléculas com quantidade ímpar de carbono sobre as pares, na faixa de 22 a 34
átomos. Este índice fornece o grau de transformação da MO e pode ser utilizado como um
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indicativo de maturação (Han & Calvin, 1969). Pode ser obtido de três formas distintas (Bray &
Evans, 1961; Philippi, 1965):
Equação 1: Índice preferencial de carbono.
Com o aumento da maturação a concentração de n-alcanos pares tende a aumentar, em
detrimento das ímpares. Portanto, razões de IPC maiores que 1 acusam MO imatura, e tendem a
unidade, conforme se aumenta a maturidade (Killops & Killops, 2005; Bray & Evans, 1961).
Bourbonniere e Meyers (1996) propuseram o índice TAR (razão entre material terrígeno
e aquático) para averiguação da fonte da MO. Em que valores mais altos apontam contribuição
terrígena.
Equação 2: Razão TAR.
- isoprenóides
Os isoprenóindes são alcanos ramificados, dentre os quais, os mais utilizados como
biomarcadores são o pristano (1, 6, 10, 14 – tetrametil-pentadecano) e o fitano (2, 6, 10, 14 –
tetrametil-hexadecano). Estas moléculas se originam da clorofila A de organismos
fotossintéticos. Podem fornecer subsídio para investigação de condições paleoambientais, uma
vez que a cadeia lateral da clorofila é clivada e origina o fitol, o qual em condições anóxicas ou
sub-óxicas (isto é, com pouco oxigênio disponível) é reduzido à diidrofitol e então em fitano,
mas em condições oxidantes é oxidado à ácido fitênico, descarboxilado a pristeno e então
reduzido a pristano (Peters et al., 2005; Regato, 2008; Brooks, 1969).
Temos assim que, altos valores (próximos a 3) da razão pristano/fitano acusam um
ambiente deposicional óxico, característico de matéria orgânica terrestre, enquanto que para
ambientes anóxicos, comumente hipersalinos ou carbonáticos, a razão pristano/fitano é menor
que 0,8 (Peters et al., 2005).
Existe ainda, relação entre os isoprenóides e n-alcanos de 17 e 18 carbonos, capazes de
sugerir origem, grau de biodegradação e maturação da MO. Em que, pristano/n-C17 e fitano/n-
C18 > 1 sugerem MO imatura; ainda, altos valores de P/n-C17 indicam matéria orgânica de
8
origem terrestre, enquanto que os altos valores para F/n-C18 acusam MO de origem marinha
(Peters & Moldowan, 1993).
1.3.2 Alifáticos Cíclicos
Os biomarcadores cíclicos mais conhecidos e aplicados são os grupos dos terpanos e
esteranos. Dentre os terpanos os mais utilizados em estudos geoquímicos são os tricíclicos e os
pentacíclicos, neste último inclui-se o importante grupo dos hopanos e oleananos.
- terpanos tricíclicos
Os terpanos tricíclicos contém, como o nome indica, 3 anéis e apresentam de 19 até 54
(de Grande et al., 1993) átomos de carbono, sendo mais comum os de 25 átomos, ou menos.
Sua origem se dá a partir de membranas procarióticas de bactérias distintas das que originam os
pentacíclicos. São mais resistentes que os pentacíclicos, assim a razão entre os mesmos pode
ser um indicativo da maturidade da MO (Silva, 2007).
Logo, a razão terpanos tricíclicos/hopanos pode ser utilizada como um parâmetro de
correlação, e apresenta maiores valores em função do aumento da maturação térmica (Peters &
Moldowan, 1993; Seifert & Moldowan, 1981)
- terpanos pentacíclicos
São moléculas de 29 a 35 carbonos, distribuídos em 4 anéis de seis e um de cinco
carbonos. São derivados de reações de redução e desidratação (durante a diagenese) do
bacteriohopanotetrol, presente nas membranas celulares dos organismos procarióticos (como
por exemplo, bactéria e cianobactérias) (Waples & Michihara, 1991).
Os hopanos mais utilizados são o 17α(H)-Trisnorhopano (Tm) e seu isômero 18α(H)-
Trisnornehopano (Ts), esse último apresenta configuração mais estável, sendo mais abundante
em MO mais madura. Logo a razão Ts/(Ts+Tm) apresentará maiores valores quanto maior a
maturação da MO, entretanto, essa relação sofre grande influência do tipo de rocha geradora
(carbonática e siliciclástica) e do ambiente deposicional (óxico, anóxico ou hipersalino),
exigindo cautela em sua aplicação (Peters & Moldowan, 1993).
Dentre os oleananos tem-se que o composto 18α(H)-oleanano, apresenta seu precursor
oriundo de plantas superiores terrestres da família das Angiospermas, assim sua presença além
9
de indicar uma origem terrestre da MO, indica que a deposição só pode ter ocorrido no final do
cretáceo, quando surgiram as primeiras angiospermas (Waggoner, 2001; Philip, 1985).
- esteranos
Os esteranos são derivados dos colesteróis (Figura 3), presentes na membrana
plasmática de todos os organismos eucariontes (Killops & Killops, 2005).
Figura 3: Transformação diagenética do percursor Colesterol no biomarcador Colestano, um esterano. Fonte: Silva, 2007.
O número preferencial de carbono na cadeia principal é variável, conforme a origem do
organismo que os sintetizou. Os organismos planctônicos sintetizam esteróis de 27 e 28
carbonos, com destaque ao colesterol (Figura 3), os dinoflagelados são os únicos capazes de
sintetizar o dinosterol (Kooke et al., 1982; Boon et al., 1979), entre os esteróis que compõe as
plantas superiores os mais representativos são o β-sitosterol e o estigmasterol, ambos de 29
carbonos (Saliot et al., 1991; Volkman, 1986; Huang & Meinschein, 1979). Com base nesse
conhecimento, Waples & Michihara (1991) elaboraram um diagrama ternário muito aplicado no
estudo da origem da MO.
A razão colesterol/β-sitosterol, utilizada por Mudge & Lintern (1999), indica MO de
origem terrestre quando apresentar valores próximos a zero, ou planctônica para valores maiores
que 1.
1.3.3 Aromáticos
A utilização de razões relativas de compostos homólogos não substituídos e alquilados,
ou entre homólogos de mesmo peso molecular, pode fornecer informações adicionais sobre a
origem dos HPAs no meio marinho, por poluição com óleo (Lourenço, 2003).
A razão entre a soma da concentração dos metil-fenantrenos e de fenatreno (∑m-
fenantreno/fenantreno) indica origem petrogênica ou de óleos derivados quando apresenta
valores entre 2 e 6, ao passo que valores próximos a 1, acusam origem pirolítica (Medeiros,
10
2000). O mesmo se segue com a razão entre a soma da concentração metil-naftalenos por
naftaleno (∑m-naftaleno/naftaleno) (Martins, 2001). Outras relações empregadas são a razão
benzo[a]antraceno/criseno que, fornecendo valores entre 0,06 e 0,40 indica contaminação por
petróleo, e a razão fluoranteno/pireno, que quando resulta valores entre 0,60 e 1,40 também é
indicativo de poluição (Medeiros, 2000). Além da aplicação dos HPAs em sedimentos
contaminados, a relação entre fenantrenos e seus metilados (MPI) pode ser utilizada em óleos, a
fim de investigar sua maturação e até sua origem (Budzinski et al., 1995). Óleos com
predominância de 9-metilfenantrenos sugerem origem marinha, enquanto o 1-metilfenantreno
predomina em óleos oriundos de rocha continental (Alexander et al., 1987; apud Budzinski et
al., 1995).
Ainda, pode-se traçar uma relação entre hidrocarbonetos aromáticos, saturados e
compostos polares (heterocompostos, ou NSO), através de um diagrama ternário (Figura 4) para
obter-se informações relevantes a evolução térmica da MO em estudo.
Figura 4: Diagrama de proporções de HC saturados, aromáticos e heterocompostos (NSO), para inferência da evolução
térmica da MO. Fonte: Silva (2007).
1.4 Cone do Rio Grande
Apesar da formação da Bacia de Pelotas, como um todo, não ter apresentado uma fase
evaporítica, que favoreceria a geração de petróleo, a região chamada Cone do Rio Grande
contou em sua formação, no terciário com uma fase de intenso aporte sedimentar, propiciando a
preservação da MO e a formação de gás biogênico, que pode ter originado uma reserva de
hidratos de gás (Oliveira et al., 2010; Bizzi et al., 2003; Sad et al, 1998; Sad et al 1997; Fontana
& Mussumeci, 1994). Rosa et al. (2006) identificaram, em estudos geofísicos, feições
características de escape de gás (Figura 5) na região estudada. Segundo Martins e colaboradores
11
(2005) a formação do cone está associada a um antigo delta do Rio da Prata, quando o nível do
mar se encontrava abaixo do presente.
Tendo em vista esse potencial, a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e
biocombustíveis – ANP realizou rodadas de licitação para exploração no local, e ainda, coletou
diversos testemunhos ao longo de toda Bacia. Entretanto, estudos geoquímicos na região são
escassos, o pioneiro foi realizado por Correia (2009), buscando uma caracterização geoquímicas
dos sedimentos, mas não contempla os biomarcadores geoquímicos.
Figura 5: Indicação de uma feição característica de escape de gás, encontrada no Cone do Rio Grande. Fonte: Rosa et al.
(2006).
1.5 Laboratório de Oceanografia Geológica – LOG/FURG
O Laboratório de Oceanografia Geológica da FURG – LOG está capacitado para
realizar diversas análises geoquímicas. Adquiriu em 2009 um cromatógrafo gasoso com
espectrômetro de massas acoplado, modelo clarus 600 da PerkinElmer, ocorrendo sua
instalação, em maio desse mesmo ano, sendo realizadas algumas análises de hidrocarbonetos
policíclicos aromáticos (HPAs). No entanto, as analises de biomarcadores, apesar de muito
difundidas e importantes em estudos geoquímicos, são ainda inéditas nesse laboratório.
Em 2008, a ANP contratou a Fugro Brasil – Serviços Submarinos e Levantamentos
LTDA para coleta de testemunhos de toda Bacia de Pelotas. De cada testemunho, a agência
utilizou apenas 20 cm do topo e 20 cm da porção central, doando o restante ao LOG, onde
ficaram armazenados em container refrigerado.
12
1.6 Justificativa
A ANP, por meio do Programa de Recursos Humanos (PRH), capacita acadêmicos de
diversas universidades para atuarem na indústria petrolífera, por meio da concessão de bolsas,
taxa de bancada, participação em congressos, entre outros. O presente trabalho está dentro da
linha de pesquisa do programa PRH-27, denominado “Estudos ambientais em áreas de atuação
da indústria do petróleo”.
O Cone do Rio Grande, como já elucidado anteriormente, possui pouquíssimos estudos
referentes à sua geoquímica orgânica, causando insegurança quanto ao seu potencial como
gerador de óleo ou gás. O conhecimento da sua composição quanto aos biomarcadores podem
gerar informações cruciais na interpretação de sua porção orgânica. Esse conhecimento, anterior
ao início de atividades humanas é fundamental para o acompanhamento da qualidade ambiental.
O estudo de biomarcadores pode ser aplicado para diversas áreas, não apenas correlatas
à óleo e gás. Podem indicar poluição por esgoto, ou hidrocarbonetos, variação de temperatura ao
longo dos anos e condições paleoceanográficas. Assim, a implantação dessa análise no LOG
será fundamental para ampliar a gama de pesquisa oferecida pelo laboratório, a fim de aumentar
o conhecimento geoquímico sedimentar da região, que conta com diversos corpos hídricos em
seu entorno.
Portanto, a carência de conhecimento da região, dada sua potencial importância
econômica, unida a enorme gama de informação que pode ser extraída a partir de estudos de
biomarcadores, foram cruciais para realização do presente trabalho.
13
2 OBJETIVOS
O principal objetivo do presente trabalho é implementar a analise de biomarcadores
geoquímicos orgânicos, em sedimentos recentes, no LOG.
Os objetivos secundários são:
- avaliar a adequação da metodologia nos sedimentos do Cone do Rio Grande;
- testar a metodologia de análise de biomarcadores em um óleo pesado;
- elaborar um guia de procedimentos para interpretação ambiental por meio da analise
de biomarcadores;
14
3 METODOLOGIA
3.1 Sedimentos do Cone do Rio Grande
3.1.1 Área de estudo
A Bacia de Pelotas encontra-se no extremo sul do Brasil, sendo seu limite ao norte no
Alto de Florianópolis, e ao sul o Cabo de Polônio (Figura 6). Esses limites foram estipulados
com base nas características estratigráficas e geológicas, para o limite norte e por questões
geopolíticas ao sul, pois, essas mesmas características se seguem até o Alto embasamento de La
Coronilla, no Uruguai, onde, essa porção da bacia é denominada Bacia do Leste. Sua formação
está relacionada à abertura do oceano Atlântico, a partir do jurássico. Durante esse processo,
houve inicialmente a formação de um proto-mar (fase de formação megassequência pós-rifte)
em que a constante sedimentação proporcionou a configuração atual, de uma bacia extensa com
baixa declividade.
Figura 6: Extensão da Bacia de Pelotas com seus limites, e localização do Cone do Rio Grande. Fonte: Rosa et al., 2006.
O Cone do Rio Grande está localizado na porção sul da Bacia de Pelotas, entre as
latitudes 31° e 34° sul e longitudes 48° e 51° oeste. Gerando uma área de aproximadamente,
28.900 km² com volume sedimentar de 5x10¹² m³ (Lopéz, 2009). Correia (2009) identificou
para essa região sedimentos compostos, predominantemente, de silte argiloso, encontrando
15
ainda, maiores valores de carbono orgânico total para amostras oriundas da porção sul do cone.
Segundo os estudos realizados por Santos (2011) a formação do Cone do Rio Grande remonta
ao Holoceno Médio, e apesar de sua composição ser francamente marinha este apresenta
influências de correntes (paleocanais ou paleorios), que proporcionaram aporte continental à
feição.
3.1.2 Amostragem
A coleta dos testemunhos foi realizada entre os meses de janeiro e fevereiro de 2008,
com testemunhador do tipo piston-core. Os testemunhos foram armazenados em container
refrigerado até sua abertura em janeiro de 2011. Apesar de se tratar de moléculas orgânicas, os
biomarcadores são moléculas extremamente resistentes e estáveis, entretanto, o longo tempo de
estocagem pode ter alterado algumas características do sedimento.
Os testemunhos utilizados para analise foram selecionados de forma aleatória,
buscando-se contemplar toda área do Cone. Inicialmente, foram selecionados 4 testemunhos, os
nomeados com a letra “U”, que foram extraídos por ultra-som, e posteriormente, mais 3, os que
apresentam a letra “S” e que foram extraídos por soxhlet (Figura 7).
Figura 7: Testemunhos selecionados para análise. Fonte: Google Earth, acesso em 10/10/2011
16
3.1.3 Coleta de sub-amostra
Por se tratar da análise de compostos traço, tem-se a necessidade de realizar rigorosa
limpeza na vidraria e demais material utilizados, a fim de se diminuir uma possível
contaminação, e ainda, por ser analise de moléculas orgânicas, materiais plásticos foram
evitados ao máximo. Todo material utilizado foi colocado de molho no extran, por 24 horas,
enxaguado com água em abundância e depois com água destilada. Em seguida o material foi
seco em estufa a 105°C (exceto o material volumétrico), e enxaguado, com auxílio de pipeta
Pasteur, com acetona e n-hexano, por 3 vezes.
Os testemunhos foram abertos com auxílio de mesa apropriada, com serra acoplada.
Imediatamente identificou-se a cor do sedimento, com auxílio da tabela Damuth (1984) e
analise com agulha histológica. Separou-se, uma porção dos sedimentos para análise
granulométrica armazenando-os em sacos plásticos identificados. As amostras para analises
geoquímicas foram retiradas da parte central do testemunho, a Tabela 1 indica a profundidade
da coluna d’água e a porção sedimentar acima de onde retirou-se a amostra.
Amostra Lâmina d'água (m) Camada sedimentar (cm)
U4 2197 128
U3 313 192
U2 1598 185
U1 1192 104
S3 1600 66
S2 1020 125
S1 1340 108 Tabela 1: Profundidade da lâmina de água e da camada sedimentar de onde foram retirada as amostras.
As amostras foram distribuídas em placas de Petri (Figura 8), as quais foram
imediatamente postas na estufa (60°C) até que estivessem totalmente secas, o que demorou em
torno de uma semana. Esse sedimento seco foi então desagregado com almofariz de cerâmica e
armazenado em potes de vidro.
Figura 8: Testemunho aberto e amostra em placa de petri.
17
3.1.4 Analise granulométrica
Para obtenção dos dados granulométricos seguiu-se métodos tradicionais de
peneiragem/pipetagem descritos por Suguio (1973). Aproximadamente 500 gramas de
sedimento foram lavados, para retirar todo sal, sendo em seguida secos em estufa a 60°C e
separados em quatro partes iguais (quarteados). Os sedimentos grosseiros (>0,063 mm) foram
peneirados e os finos (<0,063 mm) separados por decantação e pipetagem. Com o auxílio do
programa Sysgram montou-se o digrama de Shepard.
3.1.5 Analise dos biomarcadores
A analise geoquímica pode ser dividida em três etapas principais: extração, separação e
cromatografia gasosa (injeção e interpretação dos cromatogramas).
3.1.5.1 Extração
Durante os procedimentos laboratoriais pode haver perda dos analitos, portanto
necessita-se quantificar essa perda para que os valores finais não sejam subestimados. Assim,
ainda no sedimento adiciona-se os padrões internos (PI), com concentração conhecida e
comportamento semelhante às moléculas de interesse. O cálculo de recuperação pode ser feito
por meio da seguinte equação:
Equação 3 : Cálculo de recuperação por padrão.
Em que R(PI) representa a recuperação do padrão interno e deve estar entre 40% e
120%, CobPI é a concentração obtida do PI, ao final de todo procedimento e CrPI a
concentração real do PI.
A extração consiste na retirada da porção orgânica do sedimento. Para tanto, podem ser
utilizadas duas técnicas distintas, soxhlet ou ultra-som. Inicialmente, utilizou-se ultra-som, para
10g de sedimento. Entretanto, não se pode identificar os biomarcadores satisfatoriamente.
Portanto, testou-se em maiores quantidades, e aplicou-se a metodologia soxhlet em novas
amostras (Tabela 2).
18
Amostra Massa Extração
U1 10g Ultra-som
U2 10g Ultra-som
U3 10g Ultra-som
U4a 10g Ultra-som
U4b 100g Ultra-som
S1 100g Soxhlet
S2 100g Soxhlet
S3 100g Soxhlet
Tabela 2: Massa de cada amostra e a técnica de extração utilizada.
Para ambas as técnicas, o sedimento foi pesado em filtro de papel, previamente extraído.
Adicionou-se os padrões, 400 µL do 5-β-colano (da Chiron, de modo a obtemos concentração
final de 1,2 ppm) para os alifáticos e 100 µL do o-terfenil (Supelco, para obtenção final de 0,4
ppm). Um intervalo de 4 horas foi realizado antes de iniciar a extração. Os procedimentos de
extração foram realizados conforme descritos nos métodos da EPA 3550C e 3540C, para as
extrações por ultra-som e soxhlet, respectivamente.
No procedimento em ultra-som (Figura 9-A) os filtros com os sedimentos pesados
foram postos em béquer e completados com aproximadamente 40 mL de solvente
(diclorometano e n-hexano 1:1), ficando em ultra-som por 15 minutos, em seguida retirou-se o
extrato e repetiu por duas vezes o procedimento. Por fim, os extratos foram filtrados (com filtro
extraído) em balão de fundo chato. Esse extrato final foi então, rotaevaporado à 1 mL (Figura 9-
C).
A extração por soxhlet (Figura 9-B) foi feita com os mesmos solventes supracitados,
sendo necessário um volume de aproximadamente 250 mL, e teve duração de 12 horas (tempo
para que se complete aproximadamente 50 refluxos). Como nas amostras de ultra-som, os
extratos foram rotaevaporados à 1 mL.
19
Figura 9: Extração por ultra-som (A); extração em soxhlet (B); amostra em rotavapor (C).
3.1.5.2 Cleanup
O cleanup, refere-se a separação do extrato em duas fases: alifáticos e aromáticos. Para
tanto, utilizou-se a cromatografia líquida por gravidade (Figura 10), adaptada do método 3611B
da EPA. O adsorvente, ou fase estacionária é composto por 3,2 g de sílica e 1,8 g de alumina,
calcinadas e ativadas. A calcinação foi feita em forno de mufla à 500° C por 4 horas e posterior
reserva em dessecador por 2 horas, e, por fim, a ativação se deu com a adição, de 5% do peso do
material, de água livre de orgânicos, agitados por 2 horas em mesa agitadora própria para esse
fim.
A coluna foi inicialmente lavada com n-hexano, colocou-se em seguida a sílica diluída
em n-hexano, lentamente e batendo com um artefato de borracha de forma a compactá-la bem
de modo que não haja formação de bolhas (visando evitar o surgimento de caminhos
preferenciais, pelos quais a amostra pudesse escoar sem ser adsorvida). O mesmo procedimento
foi realizado com a alumina, tomando-se o cuidado de não deixá-la em contato com o ar, e por
fim, foi posta uma camada de aproximadamente 1 cm de sulfato de sódio, para garantir que a
alumina não entrasse em contato com o ar. Lavou-se novamente a coluna com n-hexano.
20
Figura 10: Coluna de cromatografia líquida, para separação das frações F1 e F2.
O extrato foi colocado na coluna em seguida eluido com 10 mL de n-hexano, para
remoção dos alifáticos (F1), seguido de 10 mL de n-hexano/diclorometano (1:1), para obtenção
da fração aromática (F2). Os solventes são variáveis na bibliografia, o importante é o fato de a
polaridade do solvente F1 ser semelhante a das moléculas orgânicas alifáticas, e o do F2 às
moléculas aromáticas, para que essas sejam eluidas, ou fiquem adsorvidas conforme o interesse.
Para estudo de resinas e asfaltenos em óleo ou ambientes contaminados faz-se uma terceira
eluição, com solvente ainda mais polar, tal como tolueno ou metanol, obtendo-se uma terceira
fração (F3). No presente estudo por se tratar de sedimento recente, e de local possivelmente
livre de contaminação optou-se por não analisar essa fração.
3.1.5.3 Cromatografia Gasosa
Injeção
A rampa de temperatura para injeção dos alifáticos no cromatógrafo iniciou-se a 80°C,
após 4 minutos aumentou numa taxa de 2°C/min até 200°C, que foram mantidos por 10
minutos, sendo recomeçado o aumento a 1°C/min até que se atingisse 300°C, mantidos por 20
minutos (Figura 11).
As rampas apresentam a variação de temperatura, em graus celsius no eixo das
coordenadas e a variação do tempo, em minutos no eixo das abscissas.
21
Figura 11: Rampa de temperatura para analise dos compostos alifáticos.
Para analise dos aromáticos, testou-se duas rampas diferentes:
Rampa 1 – Aromáticos (Figura 12)
Figura 12: Rampa 1 para analise da fração F2.
Na rampa 1, a temperatura inicial de 50°C foi mantida por 1 minuto, a partir do qual
houve aumento de 20°C/min até 190°C, passando à taxa de 1°C/min até 250°C, seguindo com
aumento de 2°C/min até 300°C, mantidos por 12 minutos.
Rampa 2 – Aromáticos (Figura 13).
Figura 13: Rampa 2 para analise de F2.
Temperatura inicial de 50°C foi mantida por 1 minuto, seguida de aumento gradual de
3°C/min até o limite de 310°C, que foi mantido por 10 minutos.
22
Interpretação dos cromatogramas gerados
Para quantificação exata das moléculas, necessita-se injetar uma curva de calibração
com os compostos que se pretende quantificar, em diferentes e conhecidas concentrações. No
LOG existe padrões para curva de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA), composta por
um mix com os 16 compostos prioritários da EPA. No entanto, os trabalhos envolvendo
biomarcadores, normalmente, não utilizam quantificação pois os padrões são muito caros, sendo
as relações baseadas apenas na área dos picos. A quantificação é utilizada apenas para o cálculo
de recuperação através dos padrões internos.
Os cromatogramas foram gerados no modo full scan para que se pudesse obter um
panorama geral de todos os compostos presentes. Entretanto, dentro desse cromatograma geral o
programa Turbo Mass é capaz de gerar um cromatograma específico com as moléculas de
interesse. Para tanto, se faz necessário o conhecimento da relação massa-carga (m/z) das
moléculas buscadas, isso porque a identificação de moléculas se dá pela quebra da mesma em
diversos íons, ou fragmentos de molécula que irão gerar um espectro de massa particular a cada
composto. A relação m/z é obtida através da relação da massa molecular pela carga elétrica do
íon.
A identificação dos picos encontrados é feita pela espectrometria de massa (Medeiros &
Simoneit, 2007). Um espectrômetro de massa (MS, do inglês) é um instrumento utilizado para
medir valores de m/z e a abundância relativa dos íons de uma molécula (IUPAC), como cada
molécula possui seu espectro de massa particular, pode-se identificá-las.
Por exemplo, os terpanos pentacíclicos se quebram em dois fragmentos identificáveis,
correspondentes ao m/z 191 e 148 (Figura 14), sendo que em seu espectro poderá haver outro
fragmento, correspondente a sua cadeia lateral, que é variável (Silva referencia 22).
Figura 14: Esquema de um terpano pentacíclico mostrando região mais frágil da molécula, que irá gerar os íons lidos no
espectro de massa. Fonte: Hunt (1995), apud Silva (2007).
23
3.2 Analise do óleo
É comum utilizar cromatogramas de óleos conhecidos para identificação de compostos
que não apresentem padrão disponível. Há ainda a possibilidade de utilizar-se do óleo como
matriz de estudo. Portanto, faz-se necessário analisar biomarcadores, também em óleo.
Devido a natureza do óleo é necessário que seja feira uma centrifugação. Sendo assim,
adicionou-se 10 mL de metanol a 10 mL de óleo deixando em centrífuga média por cerca de 10
minutos. Retirou-se o extrato e repetiu-se o procedimento por mais duas vezes.
Foram testadas 3 diluições do óleo, de 5, 10 e 50 vezes, para melhorar a resolução dos
cromatogramas gerados. As diluições foram feitas em metanol. O restante da analise seguiu o
exposto acima.
3.3 Elaboração do guia
O guia foi montado a partir dos diversos trabalhos consultados, objetivando concentrar e
resumir as informações básicas para dinamizar e facilitar a analise de MO por meio dos
biomarcadores. Para tanto, separou-se em tópicos de aplicação, isto é, a informação que se
pretende obter como “Maturação”, “Condições Paleoambientais”, “Origem” e “Contaminação
por óleos”. A partir daí, inseriu-se as relações mais utilizadas, denominando as moléculas
relacionadas e a relação massa/carga (m/z) utilizada para sua identificação.
24
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Implementação da analise
4.1.1 Comparação das Rampas
Os testes para implementação da analise foram realizados com um óleo pesado em
processo de degradação. A aplicação de um eficiente programa de temperatura garante a boa
separação dos compostos da amostra a ser analisada, e consequentemente uma boa visualização
no cromatograma. As duas rampas de temperatura testadas no óleo estão referidas na
metodologia e os respectivos cromatogramas, referentes a fração F2 (compostos aromáticos)
encontram-se abaixo (Figura 15):
Figura 15: Cromatogramas gerados pelas diferentes rampas. Rampa 1 à esquerda e rampa 2 à direita.
A temperatura se relaciona com a pressão de vapor do analito, o aumento brusco na
temperatura acarreta o aumento da pressão de vapor, causando diminuição no tempo de
retenção, isto é, o composto passa menos tempo na fase estacionária e se volatiliza mais
rapidamente (Urias, 2002). Assim, quanto maior for a taxa de aumento (maior inclinação na
rampa de temperatura) mais rápida se dará a analise, e menor será a diferença entre os tempos
de retenção, dificultando a analise do cromatograma.
A rampa 2 apresenta inicialmente uma menor inclinação, a taxa de aumento da
temperatura é menor, o que permite aos inúmeros compostos presentes no óleo uma
volatilização mais gradual, consequentemente os tempos de retenção apresentaram um intervalo
mais amplo. A resolução do cromatograma gerado pela 2ª rampa foi melhor e os picos se
apresentam melhor resolução. Sendo assim, essa rampa de temperatura foi a escolhida para
analise dos biomarcadores.
25
4.1.2 Quantidade extraída
A quantificação de hidrocarbonetos aromáticos é uma analise já implementada no LOG,
na qual é realizada inicialmente a construção de uma curva de calibração, através da injeção de
um mix desses compostos de concentração conhecida, pode-se quantificar esses compostos. A
Tabela 3, abaixo, apresenta a concentração dos compostos passíveis de serem quantificadas, em
ppb, referentes a amostra U4. Ambas foram extraídas por ultra-som, porém com massas
diferentes.
Composto U4 (10g) U4 (100g)
Naftaleno 7,9 6,35
1 metilnaftaleno 44,66 40,29
2 metilnaftaleno 24,54 21,75
Bifenil 15,88 16,89
2,6 dimetilnaftaleno 56,03 33,17
Acenaftileno N.D. N.D.
Acenafteno 5,34 6,63
Fluoreno 13,53 15,91
Dibenzothiophene N.D. N.D.
Fenantreno 30,88 35,71
Antraceno N.D. N.D.
Fluoranteno 14,75 20,12
Pireno 32,82 25,76
Benzo(a)antraceno N.D. N.D.
Criseno N.D. 69,79
Benzo(b)fluoranteno N.D. N.D.
Benzo(k)fluoranteno N.D. 20,55
Benzo(a)pireno N.D. N.D.
Perileno N.D. N.D.
Benzo(e)pireno 299,37 2316,83
Indeno(1,2,3-cd)pireno N.D. N.D.
Dibenzo(a,h)antraceno N.D. N.D.
Benzo(g.h.i)perileno 52,53 86,01
Tabela 3: Quantificação (em ppb) de compostos aromáticos de uma mesma amostra, extraída por ultra-som, com massas
diferentes. N.D. indica que não houve a detecção do composto.
26
O aumento na massa de amostra extraída deve apresentar concentração semelhante, uma
vez que se trata da mesma amostra, entretanto, como as análises prévias de carbono orgânico
total efetuadas nessas amostras foram baixas, indicando se tratar de material pobre em matéria
orgânica, optou-se por aplicar a metodologia para maiores quantidades de amostra, com a
expectativa de que a quantia de composto disponível para analise seja maior, acarretando maior
sucesso na leitura do cromatograma.
De modo geral os compostos apresentaram concentração semelhante, nota-se que alguns
compostos apresentaram concentrações ligeiramente maiores na primeira amostra, o que pode
ser explicado baseado na recuperação, calculada com base no o-terfenil, que foi 8,17% menor
na segunda analise (Tabela 4).
Os hidrocarbonetos mais pesados se caracterizam por compostos de difícil detecção. A
amostra com maior massa extraída forneceu uma quantificação mais satisfatória desses
compostos, em especial o benzo(e)pireno, mostrando para esses casos mais indicado o uso de
maior massa. No entanto para sedimentos, ou fragmentos de rocha com alto teor de MO,
acredita-se que 10 g sejam suficientes para análise.
4.1.3 Tipo de extração
A recuperação das amostras encontra-se na Tabela 4, a seguir, na qual a sigla “Cob” se
refere à concentração obtida:
Amostra Cob o-terfenil Recuperação %
U1 211,2 52,80
U2 262,7 65,68
U3 166,1 41,53
U4 (10g) 185,85 46,46
U4 (100g) 153,16 38,29
S1 408,46 102,12
S2 329,38 82,35
S3 183,03 45,76
Tabela 4: Concentração obtida (Cob) do o-terfenil e a recuperação para cada amostra.
Segundo Ribani e colaboradores (2004) os intervalos aceitáveis de recuperação estão
entre 70 e 120%, com precisão de até ± 20%. Porém, dependendo da complexidade analítica e
da amostra, este valor pode ser de 50 a 120%, com precisão de até ± 15%. Por se tratar de uma
análise consideravelmente complexa, os níveis de recuperação se mostram satisfatórios. Nota-se
27
que de modo geral, a extração por soxhlet obteve melhores recuperações, apresentando uma
média de 76,74% contra 48,95% das amostras extraídas por ultra-som.
Entretanto, a extração por ultra-som chega a ser até oito vezes mais rápida do que a
extração por soxhlet, e o gasto com solvente também é sensivelmente menor (menos da
metade), o que além de tornar o processo mais barato o torna menos prejudicial ao meio
ambiente. Ademais, Emídio e Dórea (2010) concluíram em seus estudos que a extração via
ultra-som apresenta eficiência comparável à via soxhlet. Como esse foi um teste preliminar,
recomenda-se aplicá-lo a maior numero de amostras da mesma região e com repetição.
4.2 Cone do Rio Grande
4.2.1 Coloração dos sedimentos
Os testemunhos mostraram-se muito semelhantes entre si e homogêneos, apresentando
predominantemente a cor olive-gray na porção central e light olive-gray nas margens (Figura
16), esse padrão sugere uma possível interação entre o plástico do testemunho e o sedimento. A
coloração olive-gray é comumente encontrada em argilas marinhas, e indica que sua geração
pode estar relacionada à ambientes redutores de baixa energia (Sanders et al., 1970).
Figura 16: Coloração comum aos testemunhos analisados, olive-gray na porção central e light olive-gray nas margens.
28
4.2.2 Granulometria
A análise granulométrica indicou predominância de argila síltica e silte argiloso (Figura
17), que representam sedimentos com granulometria fina. Esse resultado vem de encontro ao
relatado por Martins e colaboradores (2003), elucidado na Figura 18. Segundo esses autores a
origem do corpo lamoso que compõe o Cone do Rio Grande está relacionada a uma
contribuição pretéria do Rio da Prata e das Terras Altas do Rio Grande do Sul que depositavam
ali sua carga sedimentar quando o nível do mar econtrava-se abaixo do atual. Os sedimentos
finos são extremamente sucetíveis a transportes, assim, os ambientes que premitem sua
deposição são, necessariamente, caracterizados por baixa energia. A hogeneidade dos
testemunhos pode ser explicada pelo significativo retrabalhamento e boa seleção dos sedimentos
terrígenos que chegam ao talude, pela bacia de drenagem.
Figura 17: Diagrama de Shepard para as amostras U1, U2, U3 e U4 acima, e para as amostras S1, S2 e S3, abaixo.
Com auxílio de agulha histológica pôde-se identificar em alguns testemunhos, pequenos
grumos de areia, que podem ter sido carreados por fluxos gravitacionais, trazem sedimentos
mais grosseiros (que compõe a porção mais interna da plataforma) para regiões mais distais.
29
Figura 18: A composição sedimentar fina do Cone do Rio Grande e a proximidade com grãos de areia que podem ter
originado os grânulos encontrados nos testemunhos. Fonte: Martins et al. (2003).
4.2.3 Interpretação dos cromatogramas
Hidrocarbonetos Alifáticos
Os cromatogramas gerados a partir da fração F1 das amostras, não exibiram os
compostos procurados (n-alcanos, isprenóides, esteranos e terpanos alifáticos). Abaixo se
encontra o cromatograma correspondente ao m/z 85 (Figura 18) da amostra S1. O padrão de
distribuição dos n-alcanos em sedimento, não é tão característico quanto em óleos, dificultando
sua identificação por comparação com a bibliografia.
Figura 19: Cromatograma m/z 85 da amostra S1.
30
As amostras foram analisadas por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de
massa (GC-MS), entretanto, os n-alcanos, apresentam melhor resolução quando analisados com
detector de ionização em chama (FID), em que não há quebra de moléculas, sendo mais
indicado para compostos que apresentem fragmentos com baixo peso molecular (Peters et al.,
2005).
O cromatograma referente ao m/z 217, que corresponde aos esteranos alifáticos, exibe
apenas o pico referente ao padrão injetado, o 5-β-colano (Figura 20), o que indica a ausência
destes compostos.
Figura 20: Cromatograma m/z 217 da fração F1, da amostra S3, o pico refere-se ao padrão interno (5-β-colano).
Hidrocarbonetos Aromáticos
Quanto a fração F2, também não se conseguiu identificar a presença de esteranos ou
terpanos aromáticos, correspondentes ao m/z 231 e 253, apenas o padrão o-terfenil (Figura 21).
Figura 21: Cromatograma da fração F2, m/z 231 da amostra U4, o pico indicado é referente ao padrão o-terfenil.
31
4.3 Análise do óleo
4.3.1 Centrifugação
O óleo contém uma grande proporção de compostos orgânicos. Entretanto, os
compostos mais pesados devem ser separados, pois sua injeção causaria danos a coluna do
cromatógrafo. Assim, considerou-se a necessidade de realizar a centrifugação do óleo. A
principio realizou-se a centrifugação apenas uma vez por dez minutos, mas o extrato final,
correspondente a fração F2 (obtido após o clean up) apresentou coloração demasiadamente
escura. Então, realizou-se a centrifugação por três vezes, obtendo por fim o extrato final mais
claro, permitindo mais segurança para sua injeção no cromatógrafo.
4.3.2 Diluição
Foi injetado 1 µL do extrato do óleo, mas o cromatograma obtido apresentou baixa
resolução (Figura 22-A). Sendo assim diluiu-se o extrato a diversas concentrações, com
metanol, obtendo os cromatogramas exibidos na Figura 22, abaixo:
Figura 22: Cromatogramas do óleo sem diluição (A) e diluído 5 (B), 10 (C) e 50 (D) vezes.
Nota-se que o cromatograma referente ao extrato sem diluição (Figura 22-A) não
resolve satisfatoriamente os compostos analisados. Sendo o cromatograma que permite melhor
32
analise e comparação com cromatogramas da literatura o correspondente ao do óleo diluído 50
vezes (Figura 22-D).
4.3.2 Interpretação dos cromatogramas obtidos
Hidrocarbonetos Alifáticos
O cromatograma abaixo (Figura 23) é referente ao m/z 85 da fração F1 do óleo, nele foi
possível identificar, através da biblioteca do equipamento alguns biomarcadores da família dos
n-alcanos e o pristano.
Figura 23: Distribuição dos n-alcanos, no m/z 85 da fração F1 do óleo.
A correta identificação dos demais picos, através da biblioteca do aparelho, não foi
possível. Demonstrando a necessidade de injeção de padrões conhecidos. Entretanto, pelo
padrão de distribuição esperado pelo aumento do tempo de retenção conforme o tamanho da
molécula, pode-se inferir os demais picos.
33
Hidrocarbonetos Aromáticos
O cromatograma referente ao m/z 191, apresentou alguma semelhança com o de óleo
venezuelano (Figura 24), gentilmente cedido pela professora Liliana López da Universidad
Central de Venezulela, Faculdad de Ciencias – Instituto de Ciencias de la Tierra. Tal
cromatograma, traz identificado compostos de interesse.
Figura 24: Comparação do cromatograma m/z 191 do óleo com óleo venezuelano identificado.
Apesar dos picos não apresentarem áreas idênticas, a semelhança entre eles pode
auxiliar na identificação de compostos.
34
5 GUIA
O guia foi elaborado pela necessidade de se compilar as diversas relações de
biomarcadores utilizadas nos diversos trabalhos consultados, de forma a facilitar e agilizar a
consulta das mesmas. Pode haver a descoberta de novas relações, exigindo uma atualização
constante do guia. As relações são feitas com base na área do pico dos compostos indicados. A
utilização das relações deve ser feita com cautela, necessitando-se o maior numero de relações
possíveis casadas a outros conhecimentos (como geologia) do material de estudo buscando a
melhor interpretação possível.
35
Guia para Interpretação de Biomarcadores
Maturação
- Razão de isomerização dos homohopanos 22S/(22S+22R):
Interpretação: O hopano produzido biologicamente possui a configuração 22R, sendo
convertido gradualmente à mistura dos diastereisômeros 22R e 22S. As amostras cuja razão se
encontra na faixa de 0,50 a 0,54, mal entraram na faixa de geração de óleo, enquanto razões
entre 0,57-0,62 indicam que a fase principal de geração foi alcançada;
Moléculas: Pode ser realizada com quaisquer par de epímeros de homopanos (que são
caracterizados por apresentarem a configuração 17α(H),21β(H)-hopano), de 31 à 35 carbonos,
normalmente utiliza-se as moléculas com 31 ou 32 carbonos.
m/z: 191.
-Razão Moretanos/Hopanos:
Interpretação: Decresce com a maturação térmica de aproximadamente 0,8 em betumes
imaturos para menos que 0,15 em rochas maturas e óleos, até um mínimo de 0,05;
Moléculas: 17β, 21α(H)-29-homohopano e soma dos hopanos.
m/z: 191.
- Ts/Tm
Interpretação: aumenta a relação proporcionalmente ao aumento da maturidade.
Moléculas: 18α(H)-22,29,30-trisnorneohopano, 17α(H)-22,29,30-trisnorhopano.
m/z: 191, entretanto, por haver a possibilidade de co-eluição com terpanos tri e
tetracíclicos, pode-se utilizar o cromatograma de massas m/z 370, que corresponde ao íon
molecular de ambos os compostos.
- C29Ts/ (C29 hopano+C29Ts)
Interpretação: Aumentam com o aumento da maturação térmica (Hughes et al., 1985;
Sofer et al., 1986).
Moléculas: C29 18α(H)-22,29,30-trisnorneohopano, 18α-30-norneohopano, C29 17α-
hopano.
m/z: 191.
- Razão de isomerização dos C29 ββ/(ββ +αα) esteranos,
36
Interpretação: A razão aumenta com o progressivo aumento da maturação. A plotagem
conjunta desta razão e da razão 20S/(20S+20R) para os C29 esteranos é uma das formas mais
usadas na descrição da maturação térmica de rochas geradoras e óleos;
Moléculas: 5α,14α,17α - Estignastano 20S e 20R; 5α,14β,17β - Estigmastano 20S e
20R.
m/z: 217.
- Índice Preferencial de Carbono (IPC)
Interpretação: Maturação: apresenta índices maiores quanto menor o grau de maturação;
Origem: ambientes lacustres favorecem a formação de n-alcanos ímpares, IPC>1, óleos
marinhos apresentam predominância de n-parafinas pares, logo IPC<1, entretanto essa relação
tende a desaparecer com o aumento da maturação (Peters & Moldowan, 1993; Mello et al.,
1988).
Moléculas: n-alcanos de 22 à 34 carbonos
m/z: 85
Equações:
- Gráfico pristano/n-C17 por fitano/n-C18
Interpretação: A relação entre n-alcanos de 17 e 18 carbonos e pristano e fitano, onde
pristano/n-C17 e fitano/n-C18 > 1 indicam MO imatura; ainda, altos valores de P/n-C17
indicam matéria orgânica de origem terrestre, enquanto que os altos valores para F/n-C18
acusam MO de origem marinha. Pode-se ainda plotar essas equações em gráfico.
Moléculas: n-alcanos de 17 e 18 carbonos e 1, 6, 10, 14 – tetrametil-pentadecano; 2, 6,
10, 14 – tetrametil-hexadecano.
m/z: 85, 99 ou 113.
Gráfico:
37
Figura 25: Correlação dos parâmetros de origem pristano, fitano e n-alcanos de 17 e 18 carbonos. Adaptado de Regato
(2008).
- Razão terpanos tricíclicos/pentacíclicos
Interpretação: Aumenta com a maturação (Seifert & Moldowan, 1981).
Moléculas: Soma dos terpanos tricíclicos; soma dos hopanos (terpanos pentacíclicos).
m/z: 191.
- MNR (2-metilnaftaleno/1-metilnaftaleno)
Interpretação: Com o aumento da maturação há uma mudança da metila da posição -α
para a posição –β dos naftalenos que é termicamente mais estável (Milligan et al, 1956). Assim,
essa relação será maior quanto mais matura a MO (Radke et al, 1984).
Moléculas: 1 e 2-metilnaftaleno.
m/z: 142
- DNR
Interpretação: Aumenta com o aumento do maturidade.
Moléculas: 1,5; 2,6 e 2,7 -dimetilnaftalenos
m/z: 156
Fórmula:
- DPR
Interpretação: Os isômeros β-substituídos são menos estericamente impedidos que os
isômeros α-substituídos com o aumento da maturação.
Moléculas: 1,6; 2,6; 2,7; 2,10 dimetilfenantreno
m/z:156.
Fórmula:
38
Condições Paleoambientais
- relação pristano/fitano
Interpretação: Altos valores acusam um ambiente deposicional óxido, os valores desta
razão normalmente se encontram na faixa entre 0,8 e 3,0, sendo que para ambientes óxicos
característicos de matéria orgânica terrestre a razão pristano/fitano é maior que 3,0, enquanto
que para ambientes anóxicos, comumente hipersalinos ou carbonáticos, a razão pristano/fitano é
menor que 0,8 (Peters et al., 2005). Em geral, valores menores que 1 podem indicar condições
anóxicas sugerindo uma origem marinha para MO, enquanto valores maiores que 1 indicam
condições óxicas, relacionada a origem terrestre da MO (Mello et al., 1988; Maxwell, 1990).
Moléculas: 1, 6, 10, 14 – tetrametil-pentadecano; 2, 6, 10, 14 – tetrametil-hexadecano
m/z: 99 ou 113
- Relação Ts/(Tm+Ts)
Interpretação: Baixos valores indicam ambiente óxidos, provavelmente oriundo de
rochas carbonáticas, enquanto que valores mais altos estão relacionados a ambientes anóxidos
onde a deposição ocorreu em condições hipersalinas.
Moléculas: 17α(H)-22, 29, 30-trisnorhopano; 18α(H)-22, 29, 30 -trisnorneohopano.
m/z: 191 ou 370.
Origem
- colesterol/β-sitosterol
Interpretação: Indica MO de origem terrestre quando apresentar valores próximos a
zero, ou planctônica para valores maiores que 1 (Mudge & Lintern, 1999).
Moléculas: colesterol e β-sitosterol
m/z: 217
39
- Razão diasteranos/esteranos
Interpretação: Baixos valores indicam matéria orgânica anóxica pobre em material
argiloso, como rochas carbonáticas ou hipersalinas. Já altos valores, são típicos de rochas
geradoras ricas em argila como por exemplo, ambientes lacustres e marinho deltáico
Moléculas: 13β,17α(H)-Diacolestano 20R e 20S; soma dos esteranos.
m/z: 217
- Razão hopano/esteranos
Interpretação: Em geral, altas concentrações de esteranos e baixos valores de razão
hopano/esteranos (menor ou igual a 4) indicam deposição de matéria orgânica marinha com
maior contribuição de organismos planctônicos e/ou algas. Diferentemente, baixas
concentrações de esteranos e altos valores de razão hopano/esteranos (maior que 7) indicam
deposição de matéria orgânica terrestre e/ou microbialmente retrabalhada.
Moléculas: 17α(H), 21β(H)-hopano; 5α(H), 14α(H), 17α(H)-colestano 20S e 20R
m/z: 191 e 217
- 18 α(H)-oleanano
Interpretação: Por ser oriundo de vegetais superiores da família das angiospermas, sua
presença indica origem vegetal da MO, com idade do final do cretácio.
Moléculas: 18 α(H)-oleanano
m/z: 191.
- Relação Esteranos Regulares C29-C28-C27
Interpretação: A predominância dos C29 esteranos indica contribuição terrestre
enquanto a predominância dos C27 esteranos maior contribuição de plâncton marinho, os C28
esteranos, quando em maior proporção, indicam maior contribuição de algas lacustres
(Moldowan et al., 1985).
Moléculas: Colestano, Ergostano e Sitotano.
m/z: 217
Gráfico:
40
Figura 26: Diagrama ternário dos esteranos regulares, indicando possível fonte de matéria orgânica. Fonte: Adaptado de
Peters et al. (2005).
- TAR
Interpretação: A relação de n-alcanos TAR será maior quanto maior for a influência
terrestre na MO (Bourbonniere e Meyers, 1996).
Moléculas: n-alcanos de 15 à 31 carbonos
m/z: 99 ou 113
Fórmula:
- Tr/17α-hop
Interpretação: Razões altas sugerem origem de ambientes lacustres salinos e marinhos
carbonáticos (Regato, 2008).
Moléculas: Soma dos terpanos tricíclicos; soma dos hopanos com configuração 17α(H),
de 19 a 33 carbonos.
m/z: 191.
- Tet24/17α-hop
Interpretação: Altos valores estão relacionados a uma origem terrestre (Aquino Neto,
1983)
Moléculas: Soma dos terpanos tetracíclicos de 24 carbonos; soma dos 17α(H) hopanos
de 19 a 33 carbonos.
m/z: 191.
- C34/C35-hop
41
Interpretação: Altos valores estão relacionados a ambientes lacustres, enquanto valores
menores acusam ambiente marinho para formação da MO (Mello, 1988)
Moléculas: Soma dos hopanos de 34 carbonos e dos de 35, de mesma configuração.
m/z: 191.
- TPP/Dia27
Interpretação: Altos valores sugerem óleo de origem lacustre, enquanto valores menores
indicam uma origem marinha (Holba, 2000).
Moléculas: soma dos tetracíclicos polipernóides; diasterano de 27 carbonos.
m/z: 217
- Dibenzotiofeno/Fenantreno
Interpretação: Indicam a litogia da rocha geradora. Valores maiores que um indicam
ambientes carbonáticos, enquanto valores menores que um, xisto.
Moléculas: Dibenzotiofeno e fenantreno.
m/z: 178 e 195.
Contaminação por óleo
-25-NH/17α-Hop
Interpretação: Maior será o valor da razão quanto mais biodegradado estiver o óleo.
Moléculas: 25-norhopano; 17α(H)-hopanos.
m/z: 191.
- ∑m-fenantrenos/fenantrenos e ∑m-naftalenos/naftalenos
Interpretação: Valores entre 2 e 6 indicam origem petrogênica ou de óleos derivados,
enquanto que valores próximos a 1 possível origem pirolítica ou óleos (Martins, 2001;
Medeiros, 2000).
Moléculas: Fenantrenos, naftalenos e seus metilados.
m/z: 142 e 192.
- Benzo[a]antraceno/criseno
Interpretação: Indica poluição por petróleo na faixa entre 0,06 e 0,4 (Medeiros, 2000)
Moléculas: benzo(a)antraceno e criseno
m/z: 228.
42
- Fluoranteno/perileno
Interpretação: Indica poluição por petróleo na faixa entre 0,6 e 1,4 (Medeiros, 2000)
Moléculas: Fluoranteno e perileno.
m/z: 202 e 252.
43
6 CONCLUSÃO
O presente trabalho veio como uma proposta de iniciar uma linha de pesquisa no LOG,
bem como contribuir na investigação dos sedimentos do Cone do Rio Grande por meio dos
biomarcadores.
A identificação da presença de biomarcadores no óleo sugerem que a implantação do
método no LOG foi satisfatória, identificando a necessidade da obtenção de padrões e material
certificado para a melhor identificação dos mesmos.
Nos cromatogramas das amostras do Cone do Rio Grande não foi possível identificar a
presença dos biomarcadores buscados, impossibilitando a aplicação das relações apontadas no
guia. Tal fator pode ser devido ao baixo teor de matéria orgânica no sedimento, ou ao longo
tempo de estocagem que pode ter alterado as condições naturais. Recomenda-se a utilização de
técnicas mais sensíveis para essa investigação, tal como MS/MS, bem como coleta de novas
amostras.
As analises de granulometria e coloração sugerem um ambiente deposicional estável de
baixa energia, de acordo com os resultados elucidados na literatura consultada.
44
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