Marcadores Moleculares em
Ambientes Marinhos
Vanessa Hatje
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Tópicos
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Conceito
Usos de biomarcadores
Características de biomarcadores
Marcadores de processos naturais
Marcadores de processos antrópicos
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O que são biomarcadores?
• Categoria de compostos que podem, em
determinadas circunstâncias, fornecer
informações sobre a origem de materiais
orgânicos.
• Principal característica: estrutura
química associada a uma fonte específica
• Origem biológica ou antrópica
• Vários biomarcadores: identificar fontes
múltiplas de marcadores não específicos
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Uso de biomarcadores
1960 - Primeiras aplicações de biomarcadores
 Coprostanol: traçador de fezes humanas
 Pouco se sabia sobre a especificidade de fonte ou
estabilidade em várias condições ambientais
1970
 Diferenciar hidrocarbonetos de origem biogênica e do
petróleo
 Fonte, destino e efeitos do petróleo/óleo no ecossistema
1980
 Detecção de compostos sintéticos (detergentes comerciais)
 Assinaturas de lipídios (microorganismos)
Recentemente....
 Ampliação do uso de marcadores moleculares
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Uso de biomarcadores
• Paleoclimatologia
– Espécies dominantes e produtividade
– Alquenonas: variação de temperatura
• Petroquímica
– Óleo e petróleo: rocha de origem
– Maturidade
– Processos que afetam a biodegradação, evaporação de compostos
do petróleo
• Química ambiental
– Identificar fontes de contaminação
– Dispersão de plumas de emissários submarinos
– Rotas de transporte
• Efeitos toxicológicos
– Definição de biomarcador é um pouco diferente....como veremos
– Inibição de atividade enzimática
5
– Danos no DNA
Biomarcadores são carreadores de informação
1. Composição isotópica estável
–
Composição isotópica e o fracionamento da matéria
orgânica: fonte e/ou efeito diagenético
2. Estrutura molecular:
1. Isomeria plana: (HPAs, PCBs)
2. Isomeria espacial (Estereoisomerismo)
3. Composição de grupos co-genéticos: produção
característica da série de homólogos
–
Indicador de fontes e processos
•
•
U37K: paleo-termômetro de alquenona
CPI: Índice de preferência de C
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Características dos biomarcadores ideais:
Especificidade de fonte:
– Ligação direta e única entre fonte e o
marcador. Ex: Coprostanol (humano versus
mamíferos marinhos, aves e produção em
sedimentos redutores)
– Compostos sintetizados industrialmente.
Ex: PCBs , HPAs, Ocs
INDICADORES DE ATIVIDADES ANTÓPICAS
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Características dos biomarcadores ideais:
Comportamento conservativo:
– Molécula refratária em escalas de tempo
relevante
– Processos físicos de transporte
– Mudança de fase
– Reações químicas, ataques bacterianos
O comportamento conservativo não é estritamente necessário!
Mas é preciso que se conheça o caminho biogeoquímico
do marcador utilizado e que este reflita uma determinada fonte
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Biomarcadores
1. Marcadores de processos naturais
2. Marcadores de atividades antrópicas
3. Marcadores de efeitos toxicológicos
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1. Biomarcadores de processos naturais
Aminoácidos e Lipídios bacterianos:
Desenvolvimento e evolução da fotossíntese e
aerobiose
 Processos chave no controle do ciclo do C e,
portanto, manutenção da vida
 Bactérias são os maiores contribuintes dos registros
de biomarcadores do planeta Terra
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Simoneit 2004
Clorofila- a
Caminho
diagenético da
Cl-a no
ambiente
aquático
Fitol
Pristano
Oxidante
Fitano
Redutor11
 Alteração de um precursor até o biomarcador
pode ocorrer rapidamente, em regiões
hidrotermais, ou lentamente, como em bacias
sedimentares;
 Biomarcadores são encontrados na forma
líquida, sólida ou volátil
 Caracterização da mistura de biomarcadores:
 Extensão da atividade biológica contemporânea e as
principais espécies contribuintes
 Extensão da atividade biológica pretérita, as
principais espécies que contribuíram, maturação
geológica e alteração
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Esteróis: grupos de organismos
Ambientes
• Fitoplâncton:
– C28
– Diatomáceas
(C27 = C28 = C29 )
Mar aberto
Lago
Estuário
Terrestre
• Zooplâncton:
– C27
• Plantas superiores:
– C29
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Killops e Killops, 2005
Hidrocarbonetos: ambientes deposicionais
• Organismos se distribuem de
acordo com as condições
ambientais
• Condições ambientais:
influenciar as transformações
marinho
terrígeno
lacustre
Metil ciclohexano + tolueno (%)
14
Killops e Killops, 2005
Ambiente Marinho
• Sulfato da água
• Atividade de bactérias
sulfato redutoras
Dibenzotiofeno/fenantrenos
Hidrocarbonetos: ambientes deposicionais
1A marinho (carbonato)
1B marinho + lacustre rico em
sulfato
2 lacustre pobre em sulfato
3 marinho + lacustre
4 fluviais
Pristano/fitano
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Killops e Killops, 2005
Biomarcadores de processos naturais
também podem ser usados como:
• Indicador de ambientes
– Redox
– Hipersalino
• Maturidade de óleo/petróleo
• Determinação de idade/datação
• Paleotemperatura
– Alquenonas abundantes em cocolitoforídeos que viveram
a mais de 1milhão de anos atrás
– Amplamente distribuídas e altamente resistentes a
destruição diagenética
– Encontrados em sedimentos do Eoceno
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2. Biomarcadores de atividades antrópicas
Compostos sintéticos ou naturais
 Não são considerados contaminantes, mas sua presença
está diretamente associada a atividade antrópica
 Coprostanol, surfactantes sintéticos
Agentes contaminantes
 São conhecidamente tóxicos, persistentes no ambiente e
essencialmente associados a atividade industrial
 PCBs e HPAs
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Do que depende o sucesso de aplicação de
um biomarcador de atividades antrópicas?
 Específico a fonte de contaminação
 Detergentes sintéticos, borracha de pneu
 Indicadores de atividade antrópica: derivados de fontes
multiplas, por ex: HPAs, PCBs, silicones
 Ampla distribuição no ambiente
 Produtos utilização massiva
 Persistente ao ataque bacteriano
Marcadores de atividade antrópica podem ser usados como:
indicativo de fonte de contaminação, forma de transporte e destino
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e também oferecer informação geocronológica
Classificação dos marcadores de
atividade antrópica
Tipo de Fonte
Esgoto - natural
Esgoto - antrópico
Detergente sintético
Fontes múltiplas
Marcador
Marcador solúvel
hidrofóbico
em água
Esterol
urobilina
(coprostanol)
Aminopropanona
LAB
Silicones
PCBs e HPAs
LAS
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Esterol
• Esqueleto carbônico de 17 a 20 átomos de C, podendo
apresentar grupos metílicos.
• Distinguir a matéria orgânica de origem marinha e
continental
• O coprostanol (5 (H)-colestan-3-ol)
– Esterol de origem fecal
– Adultos humanos: média de 60% dos esteróis totais
– Hidrogenação bacteriana do colesterol no intestino de animais
superiores
– Produção in situ:
• Redução do colesterol de fezes de mamíferos marinhos
• índices de coprostanol e de outros compostos como cetonas.
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Coprostanol
• Hidrofóbico  associado
ao MS e sedimento
• Gradiente de concentração
a partir da fonte  define
a área de influência de
emissários/esgotos
• Distribuição e intensidade
dos lançamentos de esgoto
e padrão de circulação
21
Carreira et al., 2004
22
Carreira et al., 2004
Níveis de coprostanol em sedimentos
Local
Estuário Tamar, Inglaterra
Barcelona, Espanha
Lagoa de Veneza, Itália
Baía de Tókio, Japão
Porto de Hamilton, Canadá
Estuário de Bilbao, Espanha
Baía da Guanabara, Brasil
Concentração (g g-1)
0,80 - 17
1 - 390
0,2 - 41
0,02 - 0,24
0,11- 147
2,20 - 293
0,33 - 40
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Carreira et al., 2004
Apesar do amplo uso do coprostanol, existe uma
discussão sobre a sua especificidade de fonte
• Razão coprostanol/epicoprostanol
• Razão colesterol/conc. total dos esteróis
quantificados
– Altos valores  fontes naturais (mamíferos e aves)
– Baixos valores  fontes fecais
• C/N
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Alquil benzeno lineares (LAB)
• LABs com grupos de alquilas de
cadeia normal C10-C14 são
marcadores de esgotos
domésticos
• Matéria prima do surfactante
aniônico mais utilizado (LAS)
• LAB é hidrofóbico
– 90% partículas e 10% colóides
– Traçador de esgoto doméstico
– Fonte e rota de transporte de
PCBs e HPAs
– Isoméria: indica degradação
microbiana
– Coprostanol e prata
Sulfonação
Sulfonatos de alquil
25
benzeno (LAS)
LAB
• Baia de Tóquio (Chalaux et al., 1995)
– Transporte e destino de efluentes brutos lançados em rios
que alimentam a baía;
– A distribuição espacial do LAB coincidiu com a
distribuição do coprostanol e prata;
• Lagoa dos Patos (Medeiros et al., 2005)
– Origem de agentes contaminantes e rota de transporte
– LAB foi observados nas proximidades de um efluente
doméstico e nas proximidades da refinaria de petróleo.
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Hidrocarbonetos
• Boa estabilidade química água e sedimento
• Biomarcadores e indicadores de poluição por petróleo
• Fonte natural:
– Plantas terrestres, bactérias, algas e consumidores superiores
• Fonte antrópica:
– Combustão industrial, exaustão de veículos, drenagem urbana,
efluentes industriais e domésticos, atividades náuticas,
derramamento de óleo
Parte dos hidrocarbonetos sofre degradação e remoção, mas
parte deles pode ficar nos sedimentos por muitos anos 27
Hidrocarbonetos
Hidrocarbonetos alifáticos
n-alcanos: hidrocarbonetos saturados de cadeia linear



Fito e algas bentônicas marinhas: n-C15 e n-C17
Origem fóssil: composição variada conforme sua fonte
específica, apresentando de 1 a 40 átomos de C
Índice de Preferência de Carbono (CPI): estimar a
contribuição de diferentes fontes
CPI = 1
2
C25 + C27 + C29 + C31 + C33 + C25 + C27 + C29 + C31 + C33
C24 + C26 + C28 + C30 + C32 C26 + C28 + C30 + C32 + C34
4 < CPI < 7: biogênico (terrestre ou oceânico)
CPI ~1: contaminação petrogênica
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Hidrocarbonetos
Hidrocarbonetos alifáticos
 Alcanos isoprenóides: cadeia ramificada com
estrutura molecular derivada do isopreno


alceno ramificado com 5 átomos de C, um dos blocos
de construção favoritos da natureza
Pristano e fitano


Origem de hidrocarbonetos no ambiente marinho
Degradação do fitol
29
Hidrocarbonetos
Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs)
– Origem natural: sintetizados por bactérias, fungos e plantas isso
raramente ocorre
– Origem antrópica: efluentes, derramamentos, combustão
•
•
Origem petrogênica: dois ou três ciclos aromáticos, sendo comum a
presença de homólogos alquilados e compostos contento O e S. Petróleo
bruto: naftaleno e seus derivados alquilados
Origem pirolítica: mais de três ciclos aromáticos, baixo grau de
alquilação. Fluoranteno, pireno, benzo(a)antraceno, criseno,
benzofluorantenos
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• Derramamento de óleo da
Exxon Valdez (1989):
– Hidrocarbonetos (terpenos,
esteranos) foram utilizados com
sucesso para discernir entre fonte
de óleo
– Terpenos e esteranos tem ótima
estabilidade, enquanto os nalcanos e isoprenóides
desapareceram
– Efeito de substâncias tóxicas
persistentes continuam
– Concentrações a nível sub letal
(Petterson et al., 2003)
31
• Estreito de Malacca, Malásia:
– C31-C35 homo-hopanos e 17, 21(H)C29 nor hopano
Oriente médio
Sudoeste asiático
32
Zakaria et al., 2000
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