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Universidade Federal de Minas Gerais
Instituto de Ciências Exatas
Departamento de Química
Renata Pereira Lopes
Estudo de processos alternativos para a degradação de compostos de
relevância ambiental com monitoramento dos produtos formados por
Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização Electrospray (ESI-MS).
Belo Horizonte
2008
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UFMG-ICEx/DQ. 00695ª
D. 0417ª
Renata Pereira Lopes
Estudo de processos alternativos para a degradação de
compostos de relevância ambiental com monitoramento dos
produtos formados por Espectrometria de Massas com Fonte de
Ionização Electrospray (ESI-MS).
Dissertação apresentada ao
Departamento de Química do
Instituto de Ciências Exatas da
Universidade Federal de Minas
Gerais como requisito parcial para
obtenção do grau de Mestre em
Química – Química Analítica.
Belo Horizonte
2008
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i
“As estrelas podem ser vistas do fundo de um poço escuro, quando não podem
ser discernidas do topo de um monte. Assim também, muitas coisas são
aprendidas na adversidade...”
Charles H. Spurgeon
ii
Dedico este trabalho à minha família que me apóia em todos os momentos da
minha vida e que incondicionalmente sempre me deu incentivo, carinho e
compreensão.
iii
Agradecimentos
Agradeço a Deus por absolutamente tudo.
Aos meus pais que nunca mediram esforços para que eu pudesse investir nos
meus sonhos.
Ao meu marido Salatiel que sempre me incentivou e apoiou em todas as minhas
decisões.
À minha filhinha Rebeca que desde pequena já compreende o pouco tempo que
temos para ficarmos juntas.
Aos professores Clésia, Rodinei e Jacqueline pela orientação, paciência, carinho
e amizade que tiveram comigo ao longo deste trabalho.
Ao professor Ludwig Pfenning do Departamento de Fitopatologia da Universidade
Federal de Lavras e ao Lucas por disponibilizarem algumas linhagens fúngicas
para realização do trabalho biológico.
Aos professores Luiz Carlos e Mário Guerreiro e aos alunos Maraísa e Alexandre,
pela oportunidade e receptividade no laboratório de LC-MS da Universidade
Federal de Lavras.
Aos meus amigos pelo apoio e incentivo, em especial, à Ana Paula, Karla, Ilza,
Mariana, Amauri, Helvécio, Patterson, Frank, Henrique, Rosilene, Waldomiro,
Simone, Adriana (Dri), Giovanni, Leonardo, Yuri e Thais.
Aos alunos de iniciação científica Antônio Cantoni e Maria Elisa.
Aos profissionais do Departamento de Química da UFMG.
Ao CNPq pelo apoio financeiro.
iv
SUMÁRIO
Índice de Figuras ..................................................................................................viii
Índice de Esquemas ...............................................................................................ix
Índice de Tabelas ....................................................................................................x
Lista de abreviaturas .............................................................................................xii
Abstract .................................................................................................................xiii
Resumo .................................................................................................................xv
Capítulo 1............................................................................................................... 1
1. Introdução........................................................................................................ 2
Capítulo 2............................................................................................................... 4
2. Objetivos.......................................................................................................... 5
Capítulo 3............................................................................................................... 6
3. Revisão bibliográfica........................................................................................ 7
3.1. Processos físicos ....................................................................................... 7
3.2. Processos biológicos.................................................................................. 8
3.3. Processos Químicos ................................................................................ 11
3.3.1.Incineração ........................................................................................ 11
3.3.2. Processos oxidativos avançados (POAs) ......................................... 11
3.3.3. Degradação redutiva mediada por metais de valência zero ............. 13
3.4 Técnicas analíticas utilizadas.................................................................... 17
3.4.1. Espectrofotometria de Absorção Molecular na região do Ultravioleta-
Visível (EAM UV-Vis)............................................................................................ 17
3.4.2. Cromatografia Líquida de Alta Eficiência - “High Performance Liquid
Chromatography” (HPLC)..................................................................................... 19
3.4.3. Espectrometria de Massas – “Mass Spectrometry” (MS).................. 20
3.4.3.1. Introdução da amostra e técnicas de ionização........................... 21
3.5 - Métodos quimiométricos para otimização de experimentos.................... 24
3.5.1 - Avaliação do modelo matemático.................................................... 27
Capítulo 4............................................................................................................ 31
4. Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides ................................. 32
4.1. Introdução ................................................................................................ 32
4.1.1. Inseticidas Neonicotinóides............................................................... 33
v
4.1.1.1. Tiametoxam................................................................................. 33
4.1.1.2. Imidacloprid ................................................................................. 34
4.2. Parte Experimental................................................................................... 36
4.2.1. Reagentes e Materiais...................................................................... 36
4.2.2. Processo de obtenção dos pesticidas Tiametoxam e
Imidacloprid............................................................................................................36
4.2.3. Metodologia ...................................................................................... 37
4.2.3.1. Experimentos Biológicos ............................................................. 37
4.2.3.1.1. Triagem fúngica.................................................................... 37
4.2.3.1.2. Condições de incubação ...................................................... 38
4.2.3.1.3. Otimização do meio de cultura ............................................. 38
4.2.3.1.4. Teste de degradação do Imidacloprid .................................. 39
4.2.3.2. Experimentos redutivos ............................................................... 39
4.2.3.2.1. Estudos preliminares............................................................ 39
4.2.3.2.1.1. Estudo da potencialidade dos metais zinco (Zn
0
),
magnésio (Mg
0
) e estanho (Sn
0
) na degradação de soluções aquosas do pesticida
Tiametoxam.......................................................................................................... 39
4.2.3.2.1.2 Estudo do efeito do pH nos experimentos redutivos ...... 40
4.2.3.2.2. Estudo da influência das variáveis massa do metal e tempo
de exposição à radiação ultra-sônica na degradação dos pesticidas Tiametoxam e
Imidacloprid.......................................................................................................... 40
4.2.3.2.3. Estudo do efeito da exposição à radiação ultra-sônica ........ 41
4.2.3.2.4. Estudo da taxa de degradação............................................. 42
4.2.4. Técnicas analíticas utilizadas no monitoramento dos processos de
degradação biológica e redutiva dos pesticidas em solução aquosa ................... 42
4.2.4.1. Cromatografia Líquida de alta Eficiência (HPLC) ........................ 42
4.2.4.2. Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização “Electrospray”
(ESI-MS) ..............................................................................................................43
4.3. Resultados e discussão ........................................................................... 43
4.3.1. Experimentos biológicos................................................................... 43
4.3.1.1. Triagem fúngica........................................................................... 43
4.3.1.2. Otimização do meio de cultura .................................................... 44
4.3.1.3. Experimentos biológicos envolvendo o pesticida Imidacloprid .... 48
vi
4.3.1.4. Avaliação dos produtos de degradação por meio da técnica ESI-
MS..........................................................................................................................49
4.3.1.4.1 - Tiametoxam......................................................................... 49
4.3.1.4.2 – Imidacloprid ........................................................................ 55
4.3.2. Experimentos redutivos..................................................................... 61
4.3.2.1. Estudo da potencialidade dos metais zinco (Zn
0
), magnésio (Mg
0
)
e estanho (Sn
0
) na degradação de soluções aquosas do pesticida Tiametoxam. 61
4.3.2.2. Estudo do efeito do pH nos experimentos redutivos envolvendo o
pesticida Tiametoxam........................................................................................... 62
4.3.2.3. Influência das variáveis massa do metal e tempo de exposição à
radiação ultra-sônica na degradação dos pesticidas Tiametoxam e Imidacloprid.63
4.3.2.4. Estudo do efeito da exposição à radiação ultra-sônica (US) na
degradação dos pesticidas Tiametoxam e Imidacloprid....................................... 68
4.3.2.5. Avaliação dos produtos de degradação por ESI-MS ................... 72
4.3.2.5.1. Estudo do mecanismo de degradação redutiva do pesticida
Tiametoxam em solução aquosa.......................................................................... 72
4.3.2.5.2. Estudo do mecanismo de degradação redutiva do pesticida
Imidacloprid em solução aquosa.......................................................................... 77
4.4. Conclusões parciais................................................................................. 81
Capítulo 5 ..............................................................................................................84
5. Estudos de degradação redutiva do corante índigo carmim em solução
aquosa.................................................................................................................. 85
5.1. Introdução ................................................................................................ 85
5.1.1. Índigo Carmim................................................................................... 86
5.2. Parte Experimental................................................................................... 87
5.2.1. Metodologia ...................................................................................... 87
5.2.1.1. Estudo da degradação redutiva do corante Índigo Carmim em
solução aquosa. ................................................................................................... 87
5.2.1.1.1. Estudos preliminares............................................................ 87
5.2.1.1.2. Estudo da potencialidade da esponja de aço Bombril
na
degradação redutiva do corante........................................................................... 87
5.2.2. Técnicas analíticas utilizadas no monitoramento da reação redutiva
do corante Índigo Carmim em solução aquosa. ................................................... 88
vii
5.2.2.1. Espectrofotometria de Absorção Molecular na região do
Ultravioleta-Visível (EAM-UV-Vis). ....................................................................... 88
5.2.2.2. Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização “Electrospray”
(ESI-MS)................................................................................................................88
5.3. Resultados e discussão ........................................................................... 89
5.3.1. Estudos preliminares – Potencialidade dos metais Zn
0
, Sn
0
, Mg
0
e Fe
0
na degradação do corante Índigo Carmim em solução aquosa............................ 89
5.3.2. Potencialidade da esponja de aço Bombril
nos ensaios redutivos do
corante Índigo Carmim ......................................................................................... 89
5.3.3. Estudo do mecanismo da reação do corante Índigo Carmim em
solução aquosa promovida por Fe
0
...................................................................... 91
5.4. Conclusões parciais................................................................................. 93
Capítulo 6 ..............................................................................................................95
6. Considerações finais ...................................................................................96
7. Referências bibliográficas.............................................................................98
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 3.1. Rotas de dealogenação de organoclorados em sistema Fe
0
/H
2
O...... 15
Figura 3.2. Purificação in situ de águas subterrâneas por meio de uma barreira
contendo Fe
0
. ....................................................................................................... 16
Figura 3.3 - Esquema ilustrativo do processo de excitação de um elétron através
de radiação eletromagnética. ............................................................................... 17
Figura 3.4 – Componentes básicos de um espectrofotômetro ............................. 19
Figura 3.5 - Componentes básicos de um equipamento de HPLC....................... 20
Figura 3.6 - Componentes básicos de espectrômetro de massas........................ 21
Figura 3.7 – Representação esquemática da técnica ESI.................................... 23
Figura 4.1. Estrutura química do inseticida Tiametoxam...................................... 34
Figura 4.2. Estrutura química do inseticida Imidacloprid ...................................... 35
Figura 4.3 - Concentração normalizada do inseticida Tiametoxam (C/C
0
) como
uma função do tempo (C
0
= 50 mg.L
-1
)................................................................. 46
Figura 4.4. Hidrólise do Tiametoxam.................................................................... 47
Figura 4.5. Hidrólise do Imidacloprid .................................................................... 49
Figura 4.6 - ESI(+)-MS do meio de cultura contendo o inseticida Tiametoxam (50,0
mg.L
-1
).................................................................................................................. 51
Figura 4.7 - ESI(+)-MS do meio de cultura contendo o inseticida Imidacloprid (50
mg.L
-1
) ................................................................................................................. 56
Figura 4.8. Concentração normalizada do inseticida Tiametoxam (C/C
0
) como uma
função do tempo (C
0
= 50,00 mg.L
-1
).................................................................... 63
Figura 4.9 - Concentração normalizada do inseticida (C/C
0
) como uma função do
tempo: .................................................................................................................. 71
Figura 4.10 - ESI(+)-MS da solução aquosa de Tiametoxam 50,0 mg.L
-1
............ 73
Figura 4.11. ESI(+)-MS da solução aquosa de Imidacloprid 50,0 mg.L
-1
............. 78
Figura 5.1. Estrutura do corante Índigo Carmim ...................................................86
Figura 5.2. Espectro UV-Vis de uma solução de Índigo Carmim (40,0 mg.L
-1
) .... 90
Figura 5.3. Espectro UV-Vis de uma solução do corante Índigo Carmim (40,0
mg.L
-1
) após tratamento redutivo com esponja de aço Bombril
.......................... 91
Figura 5.4. ESI(-)-MS da solução aquosa de Índigo Carmim 40,0 mg.L
-1
tratada
com esponja de aço Bombril
. ............................................................................. 92
ix
ÍNDICE DE ESQUEMAS
Esquema 4.1. Proposta para a rota de biodegradação do Tiametoxam induzida
pelo fungo Paecilomyces lilacinus........................................................................ 53
Esquema 4.2. Proposta do caminho de fragmentação do íon [2 + H]
+
após a
seleção e fragmentação promovida por CID. ....................................................... 54
Esquema 4.3. Proposta para a rota de degradação do Imidacloprid induzida pelo
fungo Paecilomyces lilacinus em solução aquosa................................................ 58
Esquema 4.4. Proposta de fragmentação do íon [3 + H]
+
após seleção e
fragmentação por CID. ......................................................................................... 59
Esquema 4.5. Proposta de fragmentação do íon [2 + H]
+
após seleção e
fragmentação por CID. ......................................................................................... 60
Esquema 4.6. Proposta para a rota de degradação do Tiametoxam promovido
pelos metais Zn
0
e Sn
0
em solução aquosa (pH = 2). .......................................... 75
Esquema 4.7. Proposta do caminho de fragmentação dos íons [1b + H]+, [1c +
H]+, e [1d + H]+ após a seleção e fragmentação promovida por CID ................. 76
Esquema 4.8. Proposta de degradação do Imidacloprid (2) promovida pelos
metais (Sn
0
, Zn
0
) em solução aquosa ácida......................................................... 79
Esquema 4.9 - Proposta do caminho de fragmentação dos íons [2b + H]+, [2c +
H]+, [2d + H]+, e [2e + H]+ após a seleção e fragmentação promovida por CID . 80
Esquema 5.1. Proposta para a rota de degradação do corante Índigo Carmim
induzida por metais de valência zero. .................................................................. 93
x
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 3.1 - Potenciais de redução de alguns oxidantes mais comuns ............... 12
Tabela 3.2 - Potenciais de redução de alguns metais mais comuns.................... 13
Tabela 3.3 – Algumas das principais técnicas de ionização................................. 22
Tabela 3.4 – Matriz de coeficientes de contraste para um planejamento fatorial
completo 2
2
........................................................................................................... 26
Tabela 4.1. Propriedades físico-químicas do inseticida Tiametoxam................... 34
Tabela 4.2. Propriedades físico-químicas do inseticida Imidacloprid ................... 35
Tabela 4.4 - Planejamento fatorial completo 2
2
com ponto central realizado para
otimização da degradação dos pesticidas Tiametoxam e Imidacloprid em solução
aquosa pelos metais Zn
0
, Sn
0
e Mg
0
. ................................................................... 41
Tabela 4.5 - Planejamento fatorial completo 2
2
para determinação da influência do
ultra-som nos processos redutivos em estudo. .................................................... 42
Tabela 4.6 - Degradação do Tiametoxam após 22 dias de tratamento biológico. 44
Tabela 4.7 - Degradação do Tiametoxam em dois diferentes meios de cultura
após 15 dias de incubação, utilizando-se o fungo Paecilomyces lilacinus. .......... 45
Tabela 4.8 - Monitoramento do pH durante o tempo de incubação para
biodegradação do tiametoxan. ............................................................................. 46
Tabela 4.9. Determinação da influência do pH alcalino nos ensaios de degradação
do inseticida Tiametoxam pelo fungo Paecilomyces lilacinus............................... 47
Tabela 4.10 - Degradação do Imidacloprid após 15 dias de incubação, utilizando-
se o fungo Paecilomyces lilacinus. O sistema foi mantido sob agitação orbital à
temperatura ambiente. ......................................................................................... 48
Tabela 4.11 - Principais fragmentos gerados por CID do íon de m/z 248,
detectado no ESI(+)-MS do meio de cultura contendo Tiametoxam (1) tratado com
o fungo Paecilomyces lilacinus............................................................................. 54
Tabela 4.12 - Principais fragmentos gerados por CID dos íons de m/z 210 e 256
detectados no ESI(+)-MS do meio de cultura contendo Imidacloprid (2) tratada
com o fungo Paecilomyces lilacinus..................................................................... 59
Tabela 4.13 - Porcentagem de degradação do Tiametoxam obtida no processo
redutivo pelos metais Zn
0
, Sn
0
e Mg
0
. Concentração inicial do Tiametoxam = 50
mg.L
-1
. .................................................................................................................. 61
xi
Tabela 4.14 - Efeito do pH na degradação redutiva de uma solução do inseticida
Tiametoxam (50,0 mg.L
-1
) . Massa de 200,0 mg de zinco e 20 min de sonicação.
(n = 2)................................................................................................................... 62
Tabela 4.15 - Planejamento fatorial 2
2
com ponto central realizado para
otimização da degradação do pesticida tiametoxam em solução aquosa pelos
metais Zn
0
, Sn
0
e Mg
0
. ......................................................................................... 63
Tabela 4.16 - Cálculos dos efeitos principais e de interação de 2ª ordem
referentes ao planejamento fatorial com ponto central realizado para a otimização
da degradação do pesticida tiametoxam em solução aquosa pelos metais Zn
0
e
Sn
0
e Mg
0
...............................................................................................................64
Tabela 4.17 - Análise de variância para regressão múltipla envolvendo o sistema
de degradação redutiva do inseticida Tiametoxam induzida pelo Zn
0
.................. 66
Tabela 4.20 - Planejamento fatorial 2
2
para otimização da degradação do
pesticida Tiametoxam em solução aquosa pelos metais Zn
0
e Sn
0
. (n = 2)......... 68
Tabela 4.21 - Planejamento fatorial 2
2
para otimização da degradação do
pesticida Imidacloprid em solução aquosa pelos metais Zn
0
e Sn
0
. (n = 2).......... 69
Tabela 4.22 - Planejamento fatorial 2
2
realizado para verificação da influência do
ultra-som na degradação redutiva do Tiametoxam .............................................. 69
Tabela 4.23 - Planejamento fatorial 2
2
realizado para verificação da influência do
ultra-som na degradação redutiva do Imidacloprid............................................... 70
Tabela 4.24. Principais fragmentos gerados por CID dos íons [1b + H]
+
, [1c + H]
+
,
e [1d + H]
+
detectados no ESI(+)-MS de uma solução aquosa de Tiametoxam (1)
tratada com os metais de valência zero. .............................................................. 76
Tabela 4.25. Principais fragmentos gerados por CID dos íons [2b + H]
+
, [2c + H]
+
,
[2d + H]
+
, e [2e + H]
+
detectados no ESI(+)-MS de uma solução aquosa de
Imidacloprid (2) tratada com os metais de valência zero...................................... 80
Tabela 5.1. Propriedades físico-químicas do corante Índigo Carmim. ................. 87
xii
LISTA DE ABREVIATURAS
ANOVA = Análise de variância
CID = “Collison-Induced Dissociation” / Dissociação induzida por colisão
EAM-UV-Vis = Espectrofotometria de Absorção Molecular na região do
Ultravioleta – Visível
ESI = “Electrospray”
ETEs = Estações de tratamentos de esgotos
F = Teste F (distribuição de Fisher)
GC = “Gás Chromatography” / Cromatografia Gasosa
HPLC = “High Performance Liquid Chromatography” / Cromatografia Líquida de
Alta Eficiência
LC = “Liquid Chromatography” / Cromatografia líquida
LC-ESI-MS = “Liquid Chromatography Electrospray Ionisation Mass Spectrometry”
/ Cromatografia Líquida acoplada à Espectrometria de Massas com Fonte de
Ionização Electrospray.
m/z = razão massa / carga
MQ = Média Quadrática
MS = “Mass Spectrometry” / Espectrometria de Massas
nGL = Número de Graus de Liberdade
POAs = Processos Oxidativos Avançados
SG = Significativo a 95% de confiança
SQ = Soma Quadrática
US = Radiação Ultra-sônica
xiii
Abstract
Over the last decades, the growth of population and industrial activities has
contributed to the aggravation of environmental problems, especially the
contamination of superficial and underground waters. This is mainly caused by the
enormous amounts of domestic or industrial wastes that are many times discarded
directly into these bodies with no previous treatment.
As conventional treatments have shown to be ineffective in removing a
number of organic pollutants from water, this work aimed to evaluate the efficiency
of alternative processes in promoting the degradation of prototype contaminants.
Hence, the degradation of two insecticides (Thiametoxam and Imidacloprid) by two
distinct processes (biodegradation by filamentous fungus and reductive
degradation by zero-valent metals) in aqueous medium has been evaluated.
Optimized results, as achieved via high performance liquid chromatography
(HPLC) monitoring, indicated that the biodegradation of Thiametoxam and
Imidacloprid by the fungi Paecilomyces lilacinus reached yields of 80% and 30%,
respectively, after an incubation time of 15 days. Similarly, zero-valent tin, zinc,
and magnesium were able to destroy both insecticides with degradation yields
higher than 70%. Factorial designs were also employed to evaluate the influence
of major parameters, i. e. reaction time, mass of the metal, and ultrasonic
irradiation, on the reductive degradation of both insecticides. It was observed that
the mass of the metal and the time of exposition to the ultrasonic irradiation
significantly affected the degradation rates. It was also clear that the effect of
ultrasonic radiation was more significant when smaller masses of the metal were
used.
Studies on the reductive degradation of the dye Indigo Carmine in aqueous
solution were also performed. When treated with the zero-valent metals (Mg, Sn,
Zn) in acidic medium (pH = 2), the dye was quickly degraded as visualized by the
continuous solution discoloration. By bubbling atmospheric air into this discolored
solution, however, the initial color was restored. This result, as achieved by a
simple visual examination as well as by an UV-Visible spectroscopy monitoring,
indicated that the dye is promptly and reversibly reduced by the zero-valent metals
xiv
yielding an unstable and colorless product. Upon treatment with atmospheric air,
however, this reduced compound is promptly oxidized to restore the original dye.
Electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) was employed herein
to monitor these degradation processes. In all cases, a number of degradation
products could be detected and characterized thus demonstrating that this
technique can be efficiently employed to monitor analogous environmentally-
relevant reactions that take place in water solution.
xv
Resumo
Nas últimas décadas o aumento populacional e o conseqüente aumento
das atividades industriais, vêm contribuindo para o agravamento dos problemas
ambientais, principalmente com respeito à preservação das águas superficiais e
subterrâneas. Isso acontece porque são geradas grandes quantidades de
resíduos orgânicos, de origem doméstica ou industrial, os quais muitas vezes, são
lançados nos corpos receptores sem tratamento prévio. Como as águas
superficiais são fontes vitais de água potável, a qualidade da água tem recebido
considerável atenção nas legislações ambientais. Embora se tenha uma lei mais
restritiva, os tratamentos convencionais de água são muitas vezes ineficientes na
remoção destes poluentes, levando à persistência do problema.
Diante disso, este trabalho teve por objetivo avaliar a eficiência de
processos alternativos para a degradação de compostos orgânicos de relevância
ambiental. Foram estudados processos de biodegradação, utilizando-se fungos
filamentosos, e processos redutivos, utilizando-se metais de valência zero, para
degradação dos pesticidas Tiametoxam e Imidacloprid. A degradação, em ambos
os processos, foi monitorada pela técnica de cromatografia líquida de alta
eficiência (HPLC). No processo de biodegradação foi observada uma redução do
pico de Tiametoxam e Imidacloprid de 80 e 30% respectivamente, após a
incubação de 15 dias com o fungo Paecilomyces lilacinus.
Os processos redutivos mostraram-se muito eficientes na degradação dos
pesticidas estudados, sendo observada uma degradação superior a 70% para
ambas as moléculas. Foi investigada a influência das variáveis envolvidas nas
condições reacionais (como tempo, massa de metal e radiação ultra-sônica) que
proporcionassem uma maior resposta de degradação, sendo que para isso foi
utilizado o planejamento fatorial de experimentos. Este método possibilitou a
investigação da influência destas variáveis com um número mínimo de
experimentos. Foi observado que a massa do metal e tempo de exposição ao
ultra-som afetam significativamente a degradação dos pesticidas estudados.
Também foi possível verificar que a presença de radiação ultra-sônica é mais
significativa quando se utiliza pequenas massas do metal.
xvi
Estudos de degradação redutiva envolvendo o corante Índigo Carmim
também foram realizados. Foi observado que se forma um produto instável, o
qual é oxidado novamente na presença de oxigênio atmosférico. O
monitoramento da reação foi realizado pela técnica analítica UV-Vis que permitiu
visualizar com clareza a reversibilidade da reação, uma vez que a forma reduzida
apresenta um espectro totalmente diferente da forma oxidada.
Sabendo-se que muitos processos de degradação podem levar a formação
de compostos mais tóxicos que os de origem, este trabalho também se propôs a
fazer o monitoramento dos produtos formados através da técnica Espectrometria
de Massas com Fonte de Ionização Electrospray (ESI-MS). A técnica se mostrou
eficiente, possibilitando a elucidação dos mecanismos de degradação dos
compostos estudados.
Capítulo 1: Introdução
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
Capítulo 1: Introdução
2
1. INTRODUÇÃO
A água é um dos recursos naturais mais importantes da Terra, sendo
fundamental para a geração e manutenção de todas as formas de vida em nosso
planeta. Além de constituir cerca de 60% da composição do corpo humano,
chegando a 98% em algumas espécies, ela também é ambiente de vida de
algumas espécies animais e vegetais. Além disso, a água apresenta outras
importantes utilidades como abastecimento doméstico e industrial, irrigação,
preservação da flora e fauna, recreação e lazer, geração de energia elétrica,
navegação, dentre outras [Sperling, 2005].
O volume total de água na Terra é estimado em 1,36 bilhões de Km
3
,
sendo que deste valor 97% correspondem aos mares e oceanos, 2,2%
compreendem as calotas polares e apenas uma pequena fração de 0,8%
corresponde à água doce. Desta fração, apenas 3% encontra-se na forma de
água superficial de fácil extração, os 97% restantes encontram-se armazenados
em depósitos subterrâneos. A partir destes valores, pode-se perceber a grande
importância de se preservarem os recursos hídricos na Terra, e de se evitar a
contaminação da água mais facilmente disponível [Sperling, 2005].
Até o final da década passada, a água era considerada como um recurso
inesgotável. Infelizmente, esta concepção mostrou-se equivocada, pois
constantes mudanças geoclimáticas vêm alterando a disponibilidade de água
potável. Esta escassez é agravada em virtude da desigualdade social e da falta
de manejo e usos sustentáveis dos recursos naturais. Segundo a Unicef (Fundo
das Nações Unidas para a Infância), menos da metade da população mundial tem
acesso à água potável. Em todo o mundo cerca de 1,2 bilhões de pessoas (35%
da população mundial) não têm acesso à água tratada e 1,8 bilhões de pessoas
(43% da população mundial) não contam com serviços adequados de
saneamento básico [Pereira, 2005].
Nas últimas décadas, como uma conseqüência do desenvolvimento
industrial, a poluição tem-se agravado, devido ao aumento das cargas poluidoras
urbana e industrial, uso inadequado do solo, erosão, desmatamento, uso
Capítulo 1: Introdução
3
inadequado de insumos agrícolas e mineração. Estes fatores, associados às
alterações na distribuição anual de chuvas e nas características climáticas, levam
a danos ambientais dos recursos hídricos, dentre os quais se destacam o
aumento do transporte de sedimento e a contaminação química das águas. Além
disso, tem-se uma série de problemas quanto ao planejamento urbano e quanto à
racionalização do uso da água. Dentre estes problemas, pode-se destacar como
uma das agressões mais impactantes dos recursos hídricos, a falta de tratamento
adequado dos resíduos industriais e domésticos que, constantemente, são
despejados nos corpos d’água sem nenhum processo de tratamento [Pereira,
2005].
A maior conscientização dos riscos iminentes à saúde humana e a
necessidade de conservação dos recursos hídricos têm motivado esforços para
minimizar o problema da contaminação. Alguns exemplos são: a imposição de
legislações mais restritivas visando à redução da quantidade e toxicidade das
emissões, reciclagem e reuso de resíduos, adaptação e otimização de processos
de produção e a substituição de matérias-primas tóxicas. Também é de suma
importância a utilização de métodos de tratamento de efluentes e de recuperação
de ambientes já contaminados, que satisfaça as restrições impostas [Pereira,
2005].
Muitos poluentes parecem ser persistentes no meio ambiente e não são
completamente removidos nas estações de tratamento de esgotos (ETEs),
resistindo a vários processos de tratamento convencional de água. Desta forma,
faz-se necessário estudar formas alternativas de remoção destes compostos em
meio aquoso, assim como desenvolver metodologias de análises que permitam
investigar os produtos gerados, uma vez que, produtos mais tóxicos que os de
origem podem ser gerados nestes processos alternativos [EPA, 1992; Miltner et
al., 1989; Battaglin et al., 1996].
Capítulo 2: Objetivos
4
CAPÍTULO 2
OBJETIVOS
Capítulo 2: Objetivos
5
2. OBJETIVOS
Sabendo-se dos graves problemas ambientais que vêm aumentando nas
últimas décadas devido, principalmente, ao descarte indiscriminado de poluentes
orgânicos e a falta de manejo dos mesmos, e também da ineficiência dos
processos convencionais para o tratamento destes resíduos, é importante
investigar formas alternativas de degradação de compostos orgânicos de
relevância ambiental.
Desta forma, o objetivo principal deste trabalho foi avaliar a eficiência de
processos alternativos para a degradação dos pesticidas Tiametoxam e
Imidacloprid em meio aquoso com monitoramento dos produtos formados através
da Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização Electrospray (ESI-MS). Os
objetivos secundários foram aperfeiçoar as condições reacionais, com a finalidade
de investigar a influência de parâmetros relevantes na taxa de degradação.
Os processos avaliados em laboratório foram:
- Processos biológicos utilizando-se fungos filamentosos como agentes
responsáveis pela biodegradação dos compostos poluentes;
- Processos redutivos utilizando-se metais de valência zero como agentes
redutores;
Também, teve-se por objetivo avaliar a eficiência dos processos redutivos
na degradação do corante Índigo Carmim em meio aquoso com monitoramento
dos produtos gerados através da técnica ESI-MS.
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
6
CAPÍTULO 3
REVISÃO
BIBLIOGRÁFICA
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
7
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Diferentes métodos para a degradação de compostos orgânicos em meio
aquoso vêm sendo estudados nas últimas décadas. Entretanto, deve-se
considerar que os processos desenvolvidos devem ser direcionados a um tipo
particular de efluente, já que não existem procedimentos padronizados que
possam ser aplicados no tratamento de um grande número de efluentes. De
maneira geral, procuram-se alternativas que permitam, não somente a remoção
dos contaminantes, mas sim a sua completa mineralização [Freire, 2000].
3.1. Processos físicos
Os processos físicos de tratamento estão baseados na separação de fases
(sedimentação, decantação, filtração, centrifugação e flotação), transição de fases
(destilação, evaporação e cristalização), transferência de fases (extração por
solventes e adsorção) e na separação molecular, ou seja, processos baseados na
utilização de membranas seletivas (hiperfiltração, ultrafiltração, nanofiltração,
osmose reversa e diálise) [Rodrigues, 2001].
Um dos processos mais amplamente utilizados é baseado na separação
por adsorção, entretanto alguns adsorventes apresentam um alto custo, e devido
a isso, vários métodos alternativos têm sido estudados. Entre estes, pode-se citar
a biossorção, baseada na utilização de materiais de origem natural ou biomassas
microbianas como: bactérias, fungos e algas, para remoção de contaminantes
orgânicos e/ou inorgânicos. Além de ser um método eficiente e de baixo custo, a
biossorção ainda apresenta outras vantagens quando comparada aos demais
métodos utilizados, como a alta seletividade e potencial para regeneração da
biomassa, possibilitando a reutilização em novas etapas de remoção, após a
retirada do poluente.
Neste sentido, existe um grande interesse pela busca de materiais
alternativos de baixo custo que possam ser utilizados, em substituição ao carvão
ativado, como adsorventes para a eliminação de poluentes orgânicos, tais como
argilas [Oliveira, 2002 e Nassar, 1994], bagaço de cana [Nassar, 1997], madeira
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
8
[Asfour, 1991] e outros resíduos celulósicos [McKay, 1983 e Nicolet 1999]. Além
de sólidos de origem mineral e vegetal, estudos recentes vêm se destacando pelo
uso de microorganismos na retenção de metais pesados e/ou compostos
orgânicos persistentes. A parede celular destes microorganismos contém
substâncias como proteínas, lipídeos, polissacarídeos entre outros componentes
celulares que são capazes de adsorver os compostos poluentes orgânicos e/ou
inorgânicos. Estudos realizados indicaram um grande potencial das leveduras
Saccharomyces cerevisiae na remoção de metais pesados da água, podendo ser
usada como bioacumulador desses metais, sendo uma ótima alternativa para a
descontaminação ambiental [Del Rio, 2004].
Segundo dados compilados por Ajamal e colaboradores [2000] o uso de
bagaço de laranja como adsorvente alternativo se mostrou eficaz na remoção de
Ni em efluente de galvanoplastia, onde mais de 93% do referido metal foi
adsorvido. Dallago e colaboradores [2005] utilizaram o couro residual “wet blue”
como material adsorvente de corantes têxteis em solução aquosa, os quais
apresentaram elevada capacidade de adsorção, similar à do carvão ativado,
adsorvente comumente empregado para o tratamento de efluentes têxteis. Santos
e colaboradores [2007] verificaram o desempenho de quatro biomassas de baixo
custo (sabugo de milho, serragem de madeira, mesocarpo do coco e bagaço de
cana) na capacidade de adsorção de hidrocarbonetos leves, sendo que os
melhores resultados foram atribuídos ao mesocarpo de coco e ao bagaço de
cana.
Geralmente, estes processos permitem uma depuração eficiente dos
efluentes. Entretanto, as substâncias contaminantes não são degradadas ou
eliminadas, mas apenas transferidas para uma nova fase. Embora o volume do
efluente seja significativamente reduzido, a disposição final das fases sólidas
continua sendo um problema sem solução [Kunz, 2002].
3.2. Processos biológicos
Estes processos fundamentam-se na oxidação biológica por
microorganismos, decompondo a matéria orgânica em substâncias mais simples
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
9
como CO
2
e H
2
O (ou CH
4
e CO
2
), com custos relativamente baixos. A capacidade
de certos microorganismos para degradar substâncias orgânicas tóxicas é um fato
bem documentado [Uzura, 2001; Koller, 2000; Juhasz, 2000; Mills, 2003]. Em
termos de sua função metabólica, os processos biológicos podem ser
classificados como anaeróbios, aeróbios, anóxicos e facultativos [Biton, 1999;
Eddy, 2003].
Os processos aeróbios consistem na utilização de bactérias, fungos e algas
que requerem oxigênio molecular como aceptor final de elétrons gerando CO
2
e
H
2
O a partir da matéria orgânica. As formas mais comuns para aplicação deste
processo são as lagoas aeradas, sistemas de lodos ativados, filtros biológicos,
entre outros. O processo de lodos ativados consiste na agitação dos efluentes na
presença de microorganismos e ar, durante o tempo necessário para metabolizar
e flocular uma grande parte da matéria orgânica. Infelizmente, o processo
apresenta o grande inconveniente de ser bastante susceptível à composição do
efluente (cargas de choque), além de produzir um grande volume de lodo. Apesar
deste sistema apresentar uma eficiência relativamente alta na remoção de
compostos poluentes simples, o problema relacionado ao acúmulo de lodo torna-
se crítico, impedindo qualquer possibilidade de reaproveitamento.
Nos processos anaeróbios, o oxigênio molecular está ausente e desta
forma, algumas formas de carbono (CO
2
), enxofre (SO
4
2-
), e nitrogênio (NO
3
-
)
participam como aceptores de elétrons gerando CO
2
e CH
4
como produtos de
biodegradação. Os principais microrganismos empregados no processo anaeróbio
são as bactérias [Faisal, 2001]. A capacidade de uma bactéria anaeróbia
decompor um determinado substrato é bastante específica, dependendo
principalmente das enzimas que possui. A eficiência global de conversão da
matéria orgânica em produtos estabilizados depende da eficiência de cada reação
e do equilíbrio entre as diversas espécies e entre os grupos de bactérias
presentes no sistema anaeróbio [Lema, 1991]. Ao contrário dos processos
aeróbios, os processos anaeróbios não necessitam de equipamentos de aeração
artificial e há geração de biogás (CH
4
), que pode ser aproveitado na indústria
como fonte de energia. O processo anaeróbio possui baixa produção de
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
10
biomassa, apenas 10 a 20% do volume produzido no aeróbio, devido à reduzida
taxa de crescimento dos microrganismos no consórcio anaeróbio [Wendt, 1999].
Os processos facultativos empregam bactérias facultativas, que têm a
capacidade de sobreviver tanto na presença quanto na ausência de oxigênio
molecular livre. Sob ambiente anóxico (ausência de oxigênio), as bactérias
desnitrificantes para se desenvolverem usam o nitrato como fonte de alimento,
havendo a formação de nitrogênio gasoso (N
2
), CO
2
e água [Eddy, 2003].
Vários estudos têm sido realizados com a finalidade de se identificar novas
linhagens capazes de degradar uma grande variedade de compostos poluentes.
Dentre estes, pode-se citar o trabalho de Gesell e colaboradores [2001] que
testaram a atividade do fungo Paecilomyces lilacinus na degradação do fungicida
difenil. Os resultados indicaram que o fungo é tolerante ao fungicida, sendo capaz
de oxidar a molécula do difenil. Estudos sobre a biodegradação de poluentes
voláteis – como benzeno, tolueno e xilenos – em reatores seqüenciais anóxidos/
microaeróbios têm mostrado que tolueno e p-xilenos são degradados sob
condições anóxidas (nitrificação), enquanto benzeno, orto e para-xilenos somente
são biodegradáveis sob condições microaeróbias [Ma, 2001].
Os processos biológicos apresentam algumas desvantagens, pois a
decomposição biológica do material orgânico requer condições ambientais
favoráveis, como o controle da temperatura, pH, tempo de contato entre outros e,
em condições aeróbias, oxigênio. Muitos compostos não são efetivamente
degradados pelos microorganismos, principalmente organoclorados e
nitroaromáticos, ficando adsorvidos nos flocos de lodo, o que gera um novo
problema a respeito da disposição final desta biomassa contaminada. Além disso,
alguns problemas associados com perdas de substratos tóxicos por volatilização
e contaminação de lençóis freáticos por percolação, também são bastantes
críticos [Freire, 2000].
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
11
3.3. Processos Químicos
3.3.1. Incineração
A incineração constitui-se como um dos procedimentos mais clássicos para
a degradação de resíduos e espécies contaminantes. A base química envolvida
nestes processos é a oxidação dos compostos orgânicos pelo oxigênio a
elevadas temperaturas (>800 ºC) formando principalmente CO
2
e H
2
O, conforme
as reações mostradas abaixo:
R-H + O
2
CO
2
+ H
2
O (1)
R-Cl + O
2
CO
2
+ H
2
O + HCl (2)
Este processo apresenta algumas desvantagens como, por exemplo, levar
à formação de compostos mais tóxicos que os de origem, pois algumas moléculas
orgânicas podem não ser mineralizadas a CO
2
e H
2
O. Vários estudos têm
relatado a formação de dibenzo-p-dioxinas e dibenzofuranos policlorados em
processos de incineração [Harnly, 1995; Addink, 1995; Addink, 1998; Ghorishi,
1995; Pennise, 1996; Cains, 1997]. Além disso, são processos muito caros.
3.3.2. Processos oxidativos avançados (POAs)
Dentre as tecnologias oxidativas, os processos oxidativos avançados
(POAs) têm merecido destaque. Baseiam-se na formação de radical hidroxila
(
.
OH), altamente oxidante. Devido ao seu elevado potencial de redução (Tabela
3.1), este radical é capaz de oxidar uma ampla variedade de compostos orgânicos
podendo levar à sua completa mineralização (conversão a CO
2
e H
2
O) em um
tempo reacional relativamente curto. Como se pode observar, o radical hidroxila
apresenta o segundo maior potencial de redução dentre os oxidantes
apresentados.
∆
∆
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
12
Tabela 3.1 - Potenciais de redução de alguns oxidantes mais comuns
Oxidante
Potencial de redução
(V)
Flúor 3,03
Radical hidroxila (
.
OH) 2,80
Ozônio (O
3
) 2,07
Peróxido de hidrogênio 1,78
Radical hidroperoxila (
.
OOH) 1,70
Permanganato de potássio 1,59
Dióxido de cloro 1,57
Ácido hipocloroso 1,49
Ácido hipoiodoso 1,45
Cloro 1,36
Iodo 1,09
Bromo 0,54
Apesar dos POAs serem uma alternativa promissora para o tratamento de
compostos persistentes, a geração dos radicais hidroxila é um processo
relativamente caro e apresenta uma série de dificuldades em sua implementação
em grande escala, tais como a remoção ou imobilização das nanopartículas dos
fotocatalisadores, necessidade de fontes de radiação ultravioleta e eletrodos,
adição constante de reagentes instáveis como ozônio, peróxidos, entre outros
[Freire, 2000; Neyens, 2002; Pêra-Titus, 2004; Kwon, 1999; Esplugas, S.; 2002].
Além disso, os radicais HO
.
podem ser consumidos em reações paralelas que não
levam à degradação dos compostos de interesse diminuindo, desta forma, a
eficiência destes processos, como por exemplo, os íons carbonatos que
transferem um elétron para o HO
.
tornando-se ânions radicais carbonato
mononegativos, que são inativos na reação com os poluentes (Equação 3) [Baird,
2002].
CO
3
2
-
.
OH
+
CO
3
.
-
+ OH
-
(3)
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
13
3.3.3. Degradação redutiva mediada por metais de valência zero
Devido à grande dificuldade de implementação de alguns processos de
depuração de efluentes, novas tecnologias têm sido propostas nas últimas
décadas. Dentro deste contexto, destacam-se os trabalhos que utilizam a
degradação redutiva, mediada por metais de valência zero. Alguns compostos
com centros deficientes de elétrons, tais como compostos halogenados e/ou
nitrogenados, que reagem lentamente com HO
.
, são facilmente degradados pelos
processos redutivos. Vários metais têm sido utilizados para estes fins, tais como
Zn
0
, Sn
0
, Pt
0
, Mg
0
, entretanto o ferro metálico tem merecido destaque. Souza e
Zamora [2005] estudaram a degradação redutiva de corantes azo, utilizando
esponja de aço como fonte de ferro metálico, obtendo-se resultados promissores
quanto a descoloração dos corantes estudados. A redução de alguns pesticidas
(benomyl, picloram e dicamba) foi estudada por Ghauch [2000] utilizando-se ferro
metálico em um reator cônico, no qual foram obtidas elevadas taxas de
degradação em poucos minutos de reação. Alguns metais e seus respectivos
potenciais de redução são citados na Tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Potenciais de redução de alguns metais mais comuns.
Semi-reação de redução
Potencial de redução
(V)
Cr
3+
+ 1e
-
→ Cr
2+
-0,41
Fe
2+
+ 2e
-
→ Fe
-0,44
Cr
3+
+ 3e
-
→ Cr
-0,74
Zn
2+
+ 2e
-
→ Zn
-0,76
Mn
2+
+ 2e
-
→ Mn
-1,18
Al
3+
+ 3e
-
→ Al
-1,66
Mg
2+
+ 2e
-
→ Mg
-2,37
Pode-se perceber que o ferro apresenta um potencial de redução suficiente
para promover a redução de inúmeras substâncias de interesse, tais como
corantes alimentícios e têxteis [Nam, 2000], compostos orgânicos clorados [Liu,
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
14
2006], pesticidas [Ghauch, 2000], entre outros. Além disso, ele é o quarto
elemento mais abundante da crosta terrestre, representando 6,2% de seu peso
[Lee, 1999]. Ele tem apresentado elevada efetividade na degradação de
contaminantes ambientais além de apresentar baixo custo e baixa toxicidade nas
condições utilizadas [Matheson, 1994].
Existem três rotas pelas quais os compostos organoclorados em meio
aquoso podem ser reduzidos pelo ferro de valência zero. A primeira delas
(Equação 4) é a transferência direta de elétrons do Fe
0
para o haleto de alquila
adsorvido na superfície metálica. A segunda rota envolve a reação dos íons Fe
2+
formados através da corrosão do Fe
0
, que ocorre segundo a Equação 5. E
finalmente, a terceira via (Equação 6) tem o H
2
, produzido como um produto da
corrosão do ferro pela água, como agente redutor.
Fe
0
+ RX + H
+
Fe
+2
+ RH + X
-
-
+ RH + X
+ RX + H
+
2Fe
2+
2Fe
3+
H
2
+ RX + H
+
RH + X
-
+ H
+
É importante mencionar que a reação envolvendo o H
2
(Equação 6) não é
efetiva na ausência de catalisadores e, desta forma, a própria superfície metálica
do Fe
0
pode ser utilizada como catalisador. A Figura 3.1 apresenta um esquema
das rotas redutivas de um composto organoclorado em um sistema empregando
ferro de valência zero.
(4)
(6)
(5)
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
15
Figura 3.1. Rotas de dealogenação de organoclorados em sistema
Fe
0
/H
2
O: a) transferência direta de elétrons da superfície metálica para o
organoclorado adsorvido na superfície do Fe
0
; b) redução do composto alvo pelo
Fe
2+
produzido pela corrosão do ferro metálico; c) hidrogenação do poluente
organoclorado pelo H
2
formado em condições anaeróbias. Fonte: Pereira, 2005
Embora alguns metais apresentem um potencial de redução superior ao do
ferro, estes metais apresentam uma capacidade de passivação muito mais
elevada, isto é, são muito mais susceptíveis à formação de óxidos e/ou hidróxidos
sobre a superfície metálica impedindo a transferência de elétrons para o
substrato. Desta forma, a utilização de técnicas como ultra-som podem ser
utilizadas nestes processos permitindo a limpeza contínua da superfície metálica,
garantindo a efetividade destes metais nos processos redutivos. Hung [1998]
estudou a cinética e o mecanismo de degradação redutiva do tetracloreto de
carbono por ferro elementar na presença de radiação ultra-sônica. Ele observou
que a associação dos dois processos resultava em um aumento significativo na
resposta de degradação, sendo este aumento atribuído (1) à limpeza continua e
ativação química da superfície do Fe
0
por combinar efeitos físicos e químicos da
cavitação acústica e (2) a aceleradas taxas de transporte dos reagentes à
superfície do Fe
0
.
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
16
Um dos trabalhos mais representativos a respeito da potencialidade e
aplicabilidade do processo de remediação via degradação redutiva com Fe
0
foi
realizado por Guillham e colaboradores [1996]. Os autores desenvolveram uma
técnica in situ promissora para o tratamento de águas subterrâneas contaminadas
por compostos orgânicos clorados voláteis (principalmente C
1
e C
2
). O processo
foi baseado na construção de uma “barreira” permeável subterrânea
perpendicular à direção do fluxo de água subterrânea (Figura 3.2). Esta “barreira”
era constituída de camadas de areia, entre as quais foi adicionado ferro metálico
na forma de pequenos grânulos. Durante o processo de difusão dos compostos
poluentes através da parede, havia a interação destes com o Fe
0
que promovia
sua dealogenação, obtendo-se água purificada sem necessidade do seu
bombeamento para fora do subsolo. Um aspecto importante a ser destacado é
que a fonte de ferro zero empregada era um produto de descarte de vários
processos de manufatura como, por exemplo, rejeitos metalúrgicos. Desta forma,
estes processos apresentam uma vantagem adicional, pois permitem a
reutilização de rejeitos como agentes ativos na depuração e conservação da
qualidade do meio ambiente.
Figura 3.2. Purificação in situ de águas subterrâneas por meio de uma
barreira contendo Fe
0
.
Experimentos de campo realizados por Guillham e colaboradores [1996]
indicam que essa nova tecnologia pode funcionar com sucesso durante vários
Direção do fluxo da
água subterrânea
Água subterrânea
remediada
Fonte de
poluentes
Barreira
permeável
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
17
anos, podendo substituir no futuro, os métodos de “bombeamento e tratamento”
em muitas situações que envolvam metanos e etanos clorados dissolvidos em
águas subterrâneas. Existem também algumas possibilidades de que a técnica
possa ser utilizada para remediar solo contaminado com metais tóxicos altamente
oxidados [Baird, 2002].
Como desvantagens dos processos redutivos podem-se citar a formação
de óxidos, os quais podem ficar retidos na superfície metálica reduzindo a
velocidade da reação. Além disso, pode ocorrer a simples adsorção ou
precipitação dos contaminantes, o que confere ao processo um efeito não
destrutivo.
3.4 Técnicas analíticas utilizadas
3.4.1. Espectrofotometria de Absorção Molecular na região do Ultravioleta-
Visível (EAM UV-Vis)
Espectrofotometria de absorção molecular na região UV-Vis do espectro
eletromagnético é uma das técnicas analíticas mais empregadas, em função de
sua robustez, custo relativamente baixo e do grande número de aplicações
desenvolvidas
[Lobinski, et al., 1992]. Quando a radiação eletromagnética
contínua passa através de um material transparente, uma parte dessa radiação
pode ser absorvida. Como resultado da absorção de energia, os átomos ou
moléculas passam de um estado de baixa energia (estado fundamental) para um
estado de energia mais alta (estado excitado). A Figura 3.3 mostra esse processo
de excitação, que é quantizado. A radiação eletromagnética que é absorvida tem
energia exatamente igual à diferença de energia entre os estados excitado e
fundamental.
Figura 3.3 - Esquema ilustrativo do processo de excitação de um elétron
através de radiação eletromagnética.
E
(fundamental)
E
(Excitado)
∆
E = E
(Excitado)
- E
(fundamental)
= h
ν
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
18
Na EAM UV-Vis as transições que resultam na absorção da radiação
eletromagnética nesta região do espectro são transições entre níveis de energia
eletrônicos. Quando uma molécula absorve energia, um elétron é promovido de
um orbital ocupado para um orbital não ocupado de maior energia potencial.
Geralmente, a transição mais provável ocorre do orbital molecular ocupado mais
alto (HOMO – Highest occupied molecular orbital) para o orbital molecular não
ocupado mais baixo (LUMO – lowest unoccupied molecular orbital).
A técnica EAM-UV-Vis é fundamentada na lei de Lambert-Beer, que é a
base matemática para medidas de absorção de radiação por amostras no estado
sólido, líquido ou gasoso, nas regiões ultravioleta, visível e infravermelho do
espectro eletromagnético. Para medidas de absorção de radiação em
determinado comprimento de onda, tem-se: A= log(I
o
/I) = εbc, onde A é a
absorvância, I
o
é a intensidade da radiação monocromática que incide na amostra
e I é a intensidade da radiação que emerge da amostra. A absortividade molar (ε)
é uma grandeza característica da espécie absorvente, cuja magnitude depende
do comprimento de onda da radiação incidente. O termo “c” é a concentração da
espécie absorvente e “b”, a distância percorrida pelo feixe através da amostra
[Perkampus, 1992].
Um espectrofotômetro UV-Vis mede a quantidade de luz absorvida a cada
comprimento de onda nas regiões UV e visível do espectro. Os componentes
básicos deste aparelho consistem de uma fonte de luz, um monocromador, e um
detector (Figura 3.4). A fonte de luz é geralmente uma lâmpada de deutério ou
xenônio, que emitem radiação eletromagnética na região UV do espectro. Uma
segunda fonte de luz, geralmente uma lâmpada de Tungstênio, é usada para
comprimentos de onda na região visível do espectro. O monocromador é uma
rede de difração; sua função é separar o feixe de luz em seus comprimentos de
onda constituintes. Um sistema de fendas focaliza a radiação desejada sobre a
amostra e após atravessar a amostra, a radiação atinge o detector, que registra a
intensidade da luz transmitida (I). O detector é geralmente uma fotomultiplicadora,
embora em instrumentos mais modernos estejam sendo usados fotodiodos.
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
19
Figura 3.4 – Componentes básicos de um espectrofotômetro
A EAM-UV-Vis pode ser usada na elucidação da estrutura das moléculas
orgânicas, embora seu principal emprego em Química Analítica esteja relacionado
com a determinação da concentração de analitos em uma amostra desconhecida.
A relação A = εbc indica que a quantidade de absorção por uma amostra, em
determinado comprimento de onda, depende de sua concentração. Essa relação
é geralmente linear sobre a faixa de concentração adequada para análise. Para
determinar a concentração de amostras desconhecidas, deverá ser construída
uma curva de calibração usando soluções com concentrações conhecidas. Neste
caso, deverá ser selecionado o comprimento de onda de máxima absorção (λ
máx
).
Assim, o valor de absorbância da amostra é lido no espectrofotômetro e a sua
concentração é obtida na curva de calibração através do ponto de intersecção
com o eixo das abscissas [Skoog, 2002].
3.4.2. Cromatografia Líquida de Alta Eficiência - “High Performance Liquid
Chromatography” (HPLC)
A cromatografia líquida de alta eficiência é um dos métodos analíticos mais
utilizados para fins qualitativos e quantitativos devido à sua adaptabilidade para
determinações quantitativas com boa sensibilidade e possibilidade de separar
espécies não voláteis e termicamente instáveis. Suas aplicações se estendem à
indústria farmacêutica, a determinações ambientais e a muitos outros campos da
ciência, como o da medicina.
A técnica baseia-se no emprego de pequenas colunas, empacotadas com
materiais especialmente preparados, e uma fase móvel que é bombeada sob
altas pressões através da fase estacionária (coluna). A técnica HPLC é aplicada
em separações e análises quantitativas de um grande número de compostos
orgânicos presentes em vários tipos de amostras, de forma rápida, com alta
resolução, eficiência e sensibilidade. As forças físicas e químicas que atuam entre
Fonte de
luz
Monocromador
Amostra
Detector
I
0
Leitura
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
20
os analitos e as duas fases são responsáveis pela retenção destes sobre a coluna
cromatográfica. A diferença na magnitude dessas forças é responsável pela
resolução e, portanto pela separação dos analitos. As forças que agem sobre as
moléculas são de cinco tipos: forças de dispersão de London ou forças de Van
der Waals; interações de dipolo induzido; ligações de hidrogênio; interações
dielétricas e interações eletrostáticas e coulombianas.
O equipamento (Figura 3.5) consiste em um reservatório que contém a fase
móvel, uma bomba com a finalidade de impelir a fase móvel pelo sistema
cromatográfico, um injetor para introduzir a amostra no sistema, uma coluna
cromatográfica, um detector e um dispositivo de captura de dados, geralmente um
computador. Além de receber e enviar informações para o detector,
computadores são utilizados para controlar todo o sistema cromatográfico
proporcionando maior operacionalidade e logística de análise.
Figura 3.5 - Componentes básicos de um equipamento de HPLC
3.4.3. Espectrometria de Massas – “Mass Spectrometry” (MS)
A espectrometria de massas (“Mass Spectrometry”) é uma poderosa
ferramenta que foi usada, no princípio, para determinação de massas atômicas e,
vem sendo empregada, na atualidade, na busca de informações sobre a estrutura
Fase
móvel
Bomba
Injetor
Coluna
Detector
Rejeito
Computador
Concentração
Tempo
Fase
móvel
Bomba
Injetor
Coluna
Detector
Rejeito
Computador
Fase
móvel
Bomba
Injetor
Coluna
Detector
Rejeito
Computador
Concentração
Tempo
Concentração
Tempo
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
21
de compostos orgânicos, na análise de misturas orgânicas complexas, na análise
elementar e na determinação da composição isotópica dos elementos. Esta
técnica fornece informações para profissionais de diversas áreas como químicos,
biólogos, farmacêuticos, físicos, astrônomos, entre outros.
O espectrômetro de massas é um instrumento que separa íons, positivos
ou negativos, produzidos a partir de átomos ou moléculas, das mais simples às
mais complexas, de acordo com a razão massa/carga (m/z). Este instrumento
deve conter uma fonte de íons, um analisador de massas e um detector de íons,
conforme ilustrado na Figura 3.6. Na fonte de íons, os componentes de uma
amostra são convertidos em íons, pela ação de um agente ionizante, os quais são
imediatamente acelerados em direção ao analisador de massa. A função do
analisador de massa é separar tais íons de acordo com a sua relação m/z.
Finalmente um detector recebe estes íons que foram separados pelo analisador,
transformando a corrente de íons em sinais elétricos que são processados,
armazenados na memória de um computador e mostrados em uma tela.
Figura 3.6 - Componentes básicos de espectrômetro de massas
3.4.3.1. Introdução da amostra e técnicas de ionização
As amostras podem ser introduzidas em um espectrômetro de massas de
várias maneiras, sendo que a inserção direta e a infusão através de uma coluna
capilar são as mais comuns. A infusão capilar pode introduzir pequenas
quantidades da amostra no espectrômetro de massas sem destruir o vácuo. Esta
técnica geralmente está acoplada a outras técnicas de separação incluindo a
cromatografia líquida (liquid chromatography - LC) e cromatografia gasosa (gás
Fonte de
íons
Analisador
de massas
Detector de
íons
Processador
de sinais
Amostra
m/z
Bomba de
vácuo
Fonte de
íons
Analisador
de massas
Detector de
íons
Processador
de sinais
Amostra
m/z
Bomba de
vácuo
Fonte de
íons
Analisador
de massas
Detector de
íons
Processador
de sinais
Amostra
m/z
Fonte de
íons
Analisador
de massas
Detector de
íons
Processador
de sinais
Amostra
m/zm/z
Bomba de
vácuo
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
22
chromatography – GC), que primeiramente separam os componentes de uma
mistura para posterior análise.
Existem várias técnicas de ionização, e isso se deve à grande variedade de
amostras e espécies de interesse. Amostras sólidas, líquidas ou gasosas
contendo espécies voláteis ou não e com interesses que englobam desde a
análise elementar até a determinação da composição de proteínas requerem
diferentes processos de ionização. Algumas das principais técnicas de ionização
e os respectivos agentes ionizantes são mostrados na Tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Algumas das principais técnicas de ionização
Técnica de ionização Agente ionizante
Impacto de Elétrons (EI) Elétrons energéticos
Ionização Química (CI) Íons de um gás reagente
Ionização por Campo Elétrico (FI) Eletrodo com alto potencial elétrico
Luz Síncontron Fótons
Ionização por Electrospray (ESI) Campo elétrico intenso
Dessorção por Campo Elétrico (FD) Eletrodo com potencial elétrico alto
Ionização/Dessorção por Laser,
Assistido por uma Matriz (MALDI)
Feixe de laser (UV)
Dessorção de Plasma (PD) Fragmentos de fissão do 252Cf (MeV)
Bombardeamento por Átomos Rápidos
(FAB)
Feixe de átomos energéticos (» 5 KeV)
Emissão de Íons Secundários (SIMS) Feixe de íons energéticos (5-15 KeV)
Ionização Térmica - Thermospray (TS) Temperatura alta
Impacto de Íons Pesados (HIMS) Feixe de íons de aceleradores (MeV)
Dentre as técnicas de ionização citadas anteriormente, a ionização por
“electrospray” destaca-se como uma alternativa para geração de íons a partir de
espécies pouco voláteis presentes em fase líquida. Uma representação
esquemática é apresentada na Figura 3.7. Esta técnica se baseia na formação de
um “spray” eletrostático, a partir do qual são geradas pequenas gotas carregadas
e destas são liberados os íons. Quando um potencial positivo, por exemplo, é
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
23
aplicado na solução, os íons positivos tendem a se afastar para uma região
menos positiva, isto é, em direção ao contra-eletrodo. Assim, a gota formada na
ponta do capilar estará enriquecida em íons positivos. Este tipo de separação de
carga é chamado de processo eletroforético. Conforme a densidade de carga
aumenta na gota, o campo elétrico formado entre o capilar e o contra-eletrodo
aumenta provocando a deformação da gota. A gota ganha a forma de um cone
que é denominado de cone de Taylor [Moraes, 2003].
Figura 3.7 – Representação esquemática da técnica ESI.
Esta gota na forma de cone permanece “presa” ao capilar até o momento
em que a densidade de carga na superfície da gota e o aumento da repulsão
entre os íons vençam a tensão superficial do líquido, ocorrendo então a liberação
de pequenas gotas com alta densidade de carga. A freqüência deste processo
depende da magnitude do campo elétrico, da tensão superficial do solvente e da
condutividade da solução. Depois da liberação das gotas com alta densidade de
carga do cone de Taylor, estas passam pela região entre a ponta do capilar e o
contra eletrodo e vão sofrendo dessolvatação. A evaporação do solvente é
favorecida pela energia térmica do ambiente e pelo auxílio de um gás secante,
normalmente nitrogênio. Durante o processo de dessolvatação, a densidade de
carga aumenta até um ponto em que as forças de repulsão vencem a tensão
superficial e gotículas são liberadas pela fissão da gota inicial [Morais, 2003].
Elétrons
Alta
voltagem
Elétrons
Cone de
Taylor
Elétrons
Alta
voltagem
Elétrons
Cone de
Taylor
Elétrons
Alta
voltagem
Elétrons
Elétrons
Alta
voltagem
Alta
voltagem
Elétrons Elétrons
Cone de
Taylor
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
24
Como descrito anteriormente, o processo de dessolvatação é bem
conhecido, entretanto, não se sabe exatamente como o íon é gerado em fase
gasosa. Existem dois diferentes mecanismos que foram propostos para a
formação dos íons na fase gasosa. O primeiro mecanismo, proposto por Dole em
1968, depende da formação de gotas extremamente pequenas, com raio de
aproximadamente 1 nm, e que contenham somente um íon. A evaporação do
solvente converterá esta gota em um íon na fase gasosa. Esse mecanismo foi
denominado modelo da carga residual (CRM). O outro mecanismo foi proposto
por Thomson e Iribarne – modelo da evaporação do íon (IEM) - e sugere que a
emissão dos íons ocorre diretamente de gotas muito pequenas e altamente
carregadas. Para começar a ocorrer este processo, a gota deve ter um raio de 8
nm e 70 cargas aproximadamente. Nestas condições, a gota não sofre ruptura,
mas pode emitir íons para a fase gasosa. [Morais, 2003].
Nos últimos anos, a ionização por “electrospray” tem sido extensivamente
empregada. Dados da literatura reportam a utilização da técnica para diferentes
finalidades, podendo-se destacar a identificação de substâncias em soluções
aquosas, determinação de resíduos de agrotóxicos em água e alimentos,
identificação de produtos de relevância ambiental, mapeamento proteônico,
screening de drogas, adulteração de bebidas entre outros. Como exemplo, pode-
se citar o trabalho de Muccio e colaboradores [2005], que desenvolveram um
método simples e rápido, utilizando extração em fase sólida e cromatografia
líquida acoplada a Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização
Electrospray (LC-ESI-MS), para a determinação simultânea de quatro inseticidas
neonicotinóides em frutas e vegetais.
3.5 - Métodos quimiométricos para otimização de experimentos
Todo experimento envolve uma série de variáveis (ou fatores) com maior
ou menor grau de importância para o sistema em estudo. Desta forma, uma das
principais questões que surgem em trabalhos experimentais é a determinação da
influência das variáveis e de suas interações sobre a resposta de interesse. Uma
prática comum em laboratório é realizar experimentos de forma univariada, ou
seja, alterando uma variável de cada vez, enquanto as demais permanecem
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
25
constantes. Entretanto, a maneira mais eficiente de otimizar um sistema é utilizar
uma abordagem científica denominada planejamento estatístico de experimentos.
Nele, todas as variáveis são modificadas ao mesmo tempo, de forma
cuidadosamente elaborada, através de um planejamento experimental. A razão
para isso é que as variáveis podem apresentar interações significativas e o valor
ideal para uma delas pode depender do valor da outra. Desta forma, resultados
apropriados são obtidos em menor tempo e a custos mínimos [Neto et. al., 2003;
Neve e Schvartzman, 2002].
Em um planejamento fatorial de experimentos são investigados os efeitos
de todas as variáveis experimentais de interesse e os efeitos das interações
dessas variáveis sobre a resposta, utilizando-se um número reduzido de
experimentos. Se a combinação de k fatores (variáveis) é investigada em dois
níveis, um planejamento fatorial consistirá de 2
k
experimentos. Normalmente, os
níveis dos fatores quantitativos (como por exemplo, concentrações de uma
substância, valores de temperatura, pH, etc.) são nomeados pelos sinais -
(menos) para o nível mais baixo e + (mais) para o nível mais alto, porém o que
importa é a relação inicial entre o sinal dado e o efeito obtido. Para fatores
qualitativos (como por exemplo, tipos de ácidos, tipos de catalisadores, etc.),
como não existem valores altos ou baixos, fica a critério do analista estabelecer
os seus níveis [Teófilo e Ferreira, 2006].
Pode-se assumir, desde o início do experimento, que o sistema estudado
(domínio experimental) é regido por alguma função que é descrita pelas variáveis
experimentais. Normalmente esta função pode ser aproximada por um polinômio,
o qual pode fornecer uma boa descrição entre os fatores e a resposta obtida. A
ordem deste polinômio é limitada pelo tipo de planejamento usado. Planejamentos
fatoriais de dois níveis podem estimar apenas efeitos principais e interações.
Planejamentos fatoriais de três níveis (com ponto central) podem estimar, além
disso, o grau de curvatura na resposta.
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
26
Para descrever tais modelos em um estudo de triagem, são utilizados os
polinômios mais simples, ou seja, aqueles que contêm apenas termos lineares.
Considerando um exemplo para duas variáveis, x
1
e x
2
dois polinômios seriam:
y = b
0
+ b
1
x
1
+ b
2
x
2
+ e (7)
y = b
0
+ b
1
x
1
+ b
2
x
2
+ b
12
x
12
+ e (8)
Segundo a Equação 7, o coeficiente b
0
é o valor populacional da média de
todas as respostas obtidas, b
1
e b
2
são os coeficientes relacionados com as
variáveis x
1
e x
2
, respectivamente, e é o erro aleatório associado ao modelo e,
para o caso da Equação 8, b
12
, é o coeficiente para a interação x
1
x
2
. A partir do
planejamento montado, pode-se construir a matriz de coeficientes de contraste,
de acordo com a Tabela 3.4. A matriz de coeficientes de contraste X, juntamente
com o vetor de respostas y, obtido experimentalmente, será utilizada para cálculo
dos coeficientes do modelo, conhecidos também como vetor de regressão.
Tabela 3.4 – Matriz de coeficientes de contraste para um planejamento fatorial
completo 2
2
.
Variáveis Interações Média
x
1
x
2
x
12
+ - - +
+ + - -
+ - + -
+ + + +
O modelo procurado, descrito pelas Equações 7 e 8 pode ser representado
matricialmente pela Equação 9.
ŷ = Xb (9)
Onde ŷ é o vetor das respostas estimadas pelo modelo e b o vetor de
regressão. Uma maneira de determinar o vetor de regressão b é através do
método dos quadrados mínimos, definido pela Equação 10, em que X
t
indica a
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
27
matriz transposta de X. (X
t
X)
-1
é a matriz inversa do produto da transposta da
matriz X com ela mesma.
b = (X
t
X)
-1
X
t
y (10)
Neste trabalho, as avaliações de significância para a decisão estatística,
tanto para efeitos quanto para coeficientes do modelo, foram realizados
empregando o teste t (distribuição de student), através do valor p.
3.5.1 - Avaliação do modelo matemático
A maneira mais confiável de se avaliar a qualidade do ajuste do modelo é
empregando a análise de variância (ANOVA). Na ANOVA a variação total da
resposta é definida como a soma quadrática de dois componentes: a soma
quadrática da regressão (SQ
regr
) e a soma quadrática dos resíduos (SQ
res
). A
soma quadrática da variação total, corrigida para a média (SQ
tot
) é representada
pela Equação 11:
SQ
tot
= SQ
regr
+ SQ
res
(11)
Sendo:
∑∑
= =
−=
m
i
r
j
iregr
i
yySQ
1 1
2
)
ˆ
(
(12)
∑∑
= =
−=
m
i
r
j
iijres
i
yySQ
1 1
2
)
ˆ
(
(13)
Das Equações 12 e 13, m é o número total de níveis do planejamento
i
y
ˆ
é
o valor estimado pelo modelo para o nível i e
y
é o valor médio das replicatas (r).
As replicatas realizadas no ponto central deixarão um resíduo para cada
observação y
i
. A soma quadrática destes resíduos fornece a soma quadrática
residual somente no nível zero, que é considerada de acordo com a Equação 13.
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
28
Quando um modelo é ajustado aos dados, a soma quadrática do erro puro
é sempre uma parte da soma quadrática dos resíduos. Então, cada resíduo pode
ser desmembrado em duas partes, de acordo com a Equação 14.
)
ˆ
()()
ˆ
(
iiiijiij
yyyyyy
−
−
−
=
−
Pode-se perceber pela Equação 14 que o primeiro termo da direita diz
respeito à diferença entre o valor de cada observação individual no nível e a
média de todas as observações naquele nível. Já o segundo termo corresponde à
diferença entre o valor estimado no nível e a média de todas as observações
naquele nível. A subtração entre estes dois termos fornece como resposta o
resíduo de cada observação individual, sendo que, para evitar termos negativos
nesta equação, tomam-se suas diferenças quadráticas, obtendo-se desta forma a
Equação 15.
( ) ( )
( )
2
11 1
2
2
1 1
ˆˆ
∑∑∑∑∑
== == =
−+−=−
m
i
ii
m
i
r
j
iij
m
i
r
j
iij
yyyyyy
ii
(15)
A equação acima pode ser resumida de acordo com a Equação 16:
SQ
res
= SQ
ep
+ SQ
faj
(16)
Sendo SQ
ep
a soma quadrática do erro puro, que está relacionado aos
erros aleatórios das replicatas, e SQ
faj
a soma quadrática da falta de ajuste, que
está relacionado à falta de ajuste do modelo. Para cada fonte de variação
(regressão, resíduos, falta de ajuste, erro puro e total) é necessário obter o
número de graus de liberdade (nGL) para as Equações 12 e 13 e 15 que podem
ser encontrados, respectivamente, de acordo com as expressões representadas
pelas Equações 17, 18 e 19:
nGL = p – 1 (17)
nGL = n – p (18)
nGL = (n – m) + (m – p) (19)
(14)
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
29
Sendo p o número de parâmetros (coeficientes) do modelo, n o número
total de observações (ensaios) e m é o número de níveis do planejamento. O
número de graus de liberdade para as outras fontes de variação pode ser
facilmente calculado por cálculos algébricos simples. A divisão da soma
quadrática de cada fonte de variação pelo seu respectivo número de grau de
liberdade fornece a média quadrática (MQ). A razão entre a média quadrática da
regressão (MQ
reg
) pela média quadrática dos resíduos (MQ
res
), consiste na razão
entre duas variâncias, a qual pode ser usada para comparar tais fontes de
variação através do teste F (distribuição de Fisher), Equação 20, levando em
consideração seus respectivos números de graus de liberdade.
Semelhantemente, este procedimento pode ser realizado para a razão entre a
média quadrática da falta de ajuste (MQ
faj
) pela média quadrática do erro puro
(MQ
ep
).
2
1
MQ
MQ
≈ Fν
1
, ν
2
(20)
Onde MQ
1
e MQ
2
são as médias quadráticas das fontes de variação de
regressão e resíduo, respectivamente, e ν
1
e ν
2
são seus respectivos números de
graus de liberdade.
A razão entre as médias quadráticas da falta de ajuste e do erro puro é o
valor calculado do teste estatístico (F
calc
), que é usado para comparar qual é mais
significativo. Em termos práticos, um bom modelo necessita ter uma regressão
significativa e uma falta de ajuste não significativa. Isso significa que a maior parte
da variação total das observações em torno da média deve ser descrita pela
equação de regressão, e o restante ficará com os resíduos. Da variação
correspondente aos resíduos, espera-se que a maior parte fique com o erro puro,
que é atribuído ao erro experimental, e não com a falta de ajuste que está
diretamente relacionada ao modelo.
O coeficiente de variação R
2
(Equação 21) e o gráfico dos resíduos
também são parâmetros importantes a serem observados na avaliação do
modelo. O valor de R
2
representa a fração da variação que é explicada pela falta
Capítulo 3: Revisão bibliográfica
30
de ajuste do modelo. Quanto mais próximo de 1 o valor do coeficiente estiver,
melhor estará o ajuste do modelo às respostas observadas.
R
2
=
tot
res
SQ
SQ
(21)
Uma outra maneira de se avaliar o modelo é examinar a distribuição dos
resíduos, pois ajuda a verificar se há dados tendenciosos no modelo. Desta
forma, pode-se fazer um gráfico dos valores estimados pelo modelo (ŷ
i
) com os
valores da diferença entre os valores observados experimentalmente (y
i
) e seus
respectivos valores estimados, isto é, (ŷ
i
) versus (y
i
– ŷ
i
). Se os resíduos não
estiverem aleatoriamente distribuídos, novos recursos devem ser utilizados para a
sua melhoria.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
31
CAPÍTULO 4
ESTUDOS DE DEGRADAÇÃO DE
PESTICIDAS
NEONICOTINÓIDES.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
32
4. ESTUDOS DE DEGRADAÇÃO DOS PESTICIDAS TIAMETOXAM E
IMIDACLOPRID EM SOLUÇÃO AQUOSA
4.1. Introdução
Os pesticidas são substâncias que podem matar diretamente um
organismo indesejável ou controlá-lo de alguma maneira (por exemplo,
interferindo em seu processo reprodutivo). Estes compostos têm a propriedade
comum de bloquear um processo metabólico vital dos organismos para os quais
são tóxicos. Uma das principais motivações para o uso de inseticidas é o controle
de enfermidades, pois muitos insetos podem atuar como vetores transmitindo
doenças, como malária, febre amarela, entre outras, além de controlar insetos
como mosquitos e moscas devido a sua presença irritante. Outra razão
fundamental para o uso de inseticidas é impedir que os insetos ataquem lavouras
de alimentos [Baird, 2002]. O grande emprego de pesticidas orgânicos na
agricultura desde 1940 promoveu, além de colheitas com qualidade, um aumento
na produtividade possibilitando o atendimento da demanda alimentícia na maioria
dos países [Branco, 1988].
Apesar dos benefícios atribuídos ao uso de pesticidas, o problema de
intoxicações por defensivos agrícolas preocupa as autoridades, especialmente
pelo fato de que essas intoxicações acontecem pela ingestão gradativa destes
produtos que contaminam a água, o solo e uma variedade de alimentos. O uso de
muitos destes compostos foi proibido devido à constatação do efeito cumulativo e
prejudicial, que ocorre pela transferência de pequenas quantidades ao longo das
cadeias alimentares [Jorgenson, 2001]. Além disso, os pesticidas muitas vezes
são tóxicos, podendo ser cancerígenos, mutagênicos, teratogênicos e
mimetizadores de hormônios [Colborn, et al 1997]; são aplicados em grande
quantidade, em áreas bastante extensas e, geralmente, possuem grande
persistência no meio ambiente [Blzmk, et al 1996], além de gerar sérios
problemas de qualidade das águas superficiais e subterrâneas [Baird, 2002].
O efeito e a magnitude decorrentes do uso de pesticidas no ambiente
dependem basicamente dos processos de transferência e transformações que
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
33
ocorrem em cada compartimento do sistema solo-água-planta-atmosfera. As
maiores rotas de dispersão de pesticidas para sistemas aquáticos são: o
escoamento superficial e a drenagem. O tipo de planta e a topografia do terreno
têm importância decisiva na maioria desses processos [Traub-Eberhard, 1995].
Assim, a dinâmica dos pesticidas no solo está relacionada com a precipitação
pluvial e o manejo da irrigação [Logan, 1994].
4.1.1. Inseticidas Neonicotinóides
Os neonicotinóides representam uma nova classe de inseticidas
relacionados estrutural e funcionalmente à nicotina e que apresentam modo de
ação na interferência dos receptores de acetilcolina do sistema nervoso do inseto
[Stenersen, 2004]. Estes compostos são registrados para o controle de uma
grande variedade de insetos-praga em diversos agroecossistemas, pois além de
sua elevada capacidade inseticida, principalmente contra lepidópteros-praga,
apresentam baixa toxicidade a mamíferos [Takahashi et al., 1998]. Atualmente,
existem duas gerações de neonicotinóides, sendo que a primeira geração
apresenta um grupo cloropiridinil (CP) heterocíclico, como por exemplo o
Imidacloprid, e a segunda geração apresenta um clorotiazolidil (CT) heterocíclico
como por exemplo o Tiametoxam.
4.1.1.1. Tiametoxam
Entre os inseticidas mais recentes disponíveis no mercado, o Tiametoxam
tem sido testado com sucesso em muitas espécies vegetais de importância
econômica no controle de insetos sugadores [Benvenga et al., 1998; Raetano et
al., 2000; Martins e Nakamura, 2000; Moraes et al., 2005; Senn et al., 2000a, b).
O Tiametoxam (Figura 4.1) é um inseticida sistêmico do grupo químico dos
neonicotinóides de nome químico 3-(2-cloro-tiazol-5-ilmetil)-5-metil-[1,3,5]
oxadiazino-4-ilideno-N-nitroamina. É comercializado sob os nomes de Actara
,
para aplicação no solo e pulverização foliar e Cruiser
, para o tratamento de
sementes.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
34
Figura 4.1. Estrutura química do inseticida Tiametoxam
As propriedades físico-químicas do Tiametoxam podem ser visualizadas na
Tabela 4.1
Tabela 4.1. Propriedades físico-químicas do inseticida Tiametoxam
Propriedades Tiametoxam
Fórmula química C
8
H
10
ClN
5
O
3
S
Massa molar 291,7 g.mol
-1
Estado físico Cristalino
Ponto de fusão 139,1 ºC
Solubilidade em água 4,1 g.L
-1
Log P
*
-0,13
*P= coeficiente de partição octanol/água
4.1.1.2. Imidacloprid
O Imidacloprid (Figura 4.2) é um inseticida sistêmico de ampla utilização na
fumicultura e em outras culturas, cuja introdução diminuiu sensivelmente a
utilização de vários outros inseticidas. O nome segundo a IUPAC é 1-(6-cloro-3-
piridilmetil)-N-nitroimidazolidin-2-ilidenoamino. É comercializado sob os nomes
Nuprid
, Confidor
, Gaucho
, entre outros. Este composto apresenta efeito
residual muito longo [Gonzáles-Pradas et al., 2002] de modo que, quando
aplicado na sementeira, protege a cultura durante todo o seu ciclo. Entretanto,
sua presença foi comprovada nos mananciais de águas superficiais, o que carece
de uma reflexão sobre seu uso indiscriminado e a falta de cuidado com as águas
residuais do sistema “float”, de produção de mudas e com o destino das
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
35
embalagens. Ademais, este princípio ativo apresenta alta mobilidade no solo
[Gonzáles-Pradas et al., 2002], o que pode ser um inconveniente ambiental em
áreas planas, com solos arenosos e lençol freático raso.
Figura 4.2. Estrutura química do inseticida Imidacloprid
As propriedades físico-químicas do Imidacloprid podem ser visualizadas na
Tabela 4.2.
Tabela 4.2. Propriedades físico-químicas do inseticida Imidacloprid
Propriedades Imidacloprid
Fórmula química C
9
H
10
ClN
5
O
2
Massa molar 255,7 g.mol
-1
Estado físico Cristalino
Ponto de fusão 136,4 – 143,8 ºC
Solubilidade em água 0,61 g.L
-1
Log P
*
0,57
*P= coeficiente de partição octanol/água
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
36
4.2. Parte Experimental
4.2.1. Reagentes e Materiais
Para realização dos experimentos envolvidos na elaboração deste trabalho, os
seguintes reagentes foram utilizados:
− Glicose anidra (Synth)
− Peptona Bacteriológica (Biobrás)
− Extrato de Levedura (Biobrás)
− Zinco metálico granulado (F. Maia)
− Magnésio metálico em pó (F. Maia)
− Estanho metálico granulado (Reagen)
− Esponja de aço Bombril
− Metanol 99,8% (F. Maia)
− Ácido Acético Glacial 99,7% (Synth)
− Ácido sulfúrico (Merck)
− Hidróxido de sódio (Synth)
− Corante Índigo Carmim (Hartman Leddon CO)
− Sílica gel (Merck)
− Diclorometano (F. Maia)
4.2.2. Processo de obtenção dos pesticidas Tiametoxam e Imidacloprid
Os pesticidas Tiametoxam e Imidacloprid foram obtidos a partir de um
processo de purificação dos produtos comerciais Actara
e Confidor 700 WG
respectivamente, conforme o procedimento otimizado pela aluna de doutorado
Ana Paula Fonseca Maia de Urzedo, descrito a seguir:
- Dissolveu-se 5,0000 g do produto comercial em 50,00 mL de diclorometano e
deixou-se o sistema agitando, utilizando-se um agitador magnético (IKA RH Basic
1), durante 30 minutos. Filtrou-se a mistura, utilizando-se um sistema de filtração
simples. Reduziu-se o volume do solvente em rotavapor (Quimis Modelo Q 344.2)
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
37
até obter-se um volume de aproximadamente 2 mL. Este volume foi submetido a
técnicas de cromatografia em coluna.
- Para purificação do pesticida, fez-se a eluição do mesmo através de uma coluna
cromatográfica de aproximadamente 20 cm, utilizando-se sílica gel como fase
estacionária. A fase móvel consistiu de uma solução de diclorometano contendo
1% de metanol. Recolheu-se frações de aproximadamente 5 mL, sendo
monitorada a presença do composto de interesse através de EAM-UV-Vis.
- O rendimento dos processos de purificação foram aproximadamente 10 e 50%
para Tiametoxam e Imidacloprid, respectivamente.
- A identificação dos compostos purificados foi determinada através do ponto de
fusão, EAM UV-Vis e ESI-MS.
4.2.3. Metodologia
4.2.3.1. Experimentos Biológicos
4.2.3.1.1. Triagem fúngica
Inicialmente foi realizada uma triagem fúngica para identificação de fungos
que fossem ativos no processo de biodegradação do inseticida Tiametoxam em
solução aquosa. Foram testadas as seguintes espécies de fungos filamentosos:
Rhizopus stolonifer, Aspergillus niger, Mucor plumbeus, Trichoderma sp.,
Paecilomyces lilacinus, Acremonium murorum e Thamnsostylum sp.
Os fungos Acremonium murorum, Paecilomyces lilacinus e Trichoderma sp.
foram isolados de amostras de solo de floresta secundária, situada próximo ao
município de Benjamim Constant, no estado do Amazonas. Este estudo fez parte
do projeto Below Ground Biodiversity, custeado pela UNEP, órgão das Nações
Unidas para o Meio Ambiente. No Brasil o projeto recebeu o nome de BiosBrasil.
Estes fungos estão em uma coleção chamada FSA (fungos do solo da Amazônia)
que está sendo incorporada à coleção micológica de Lavras. Os demais fungos
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
38
fazem parte de uma coleção de culturas do Laboratório de Biotecnologia do
Departamento de Química da UFMG.
4.2.3.1.2. Condições de incubação
Os fungos foram cultivados em 50,00 mL de meio de cultura cuja
composição foi glicose 10,0 g.L
-1
, peptona bacteriológica 5,0 g.L
-1
e extrato de
levedura 2,5 g.L
-1
,
em frascos erlenmeyer de 125 mL. O meio em cada frasco foi
previamente esterilizado em autoclave a 120º C por 20 minutos. Após o inóculo
dos fungos, as culturas foram incubadas por 72 h à temperatura ambiente sob
agitação orbital em Shaker (Tecnal, Modelo TE-420). Após este tempo, introduziu-
se 1,00 mL de uma solução estoque do substrato (Tiametoxam) obtendo-se uma
concentração final de 50,00 mg.L
-1
. Este procedimento foi realizado em capela de
fluxo laminar utilizando-se material previamente esterilizado. O sistema foi agitado
por mais 22 dias. Alíquotas foram retiradas do sistema reacional em diferentes
intervalos de tempo, sob condições assépticas para que o sistema não fosse
contaminado por microorganismos indesejáveis, filtradas sob vácuo e congeladas
para análises posteriores. Foram preparados dois experimentos controle, um
contendo o analito sem a presença do fungo e o outro contendo o fungo sem a
presença do analito.
4.2.3.1.3. Otimização do meio de cultura
O fungo Paecilomyces lilacinus foi selecionado para realização de uma
investigação da influência da presença e ausência de glicose no meio de cultura
no processo de biodegradação do Tiametoxam. Desta forma, foram preparados
dois meios de cultura cuja composição pode ser visualizada na Tabela 4.3.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
39
Tabela 4.3 – Composição dos meios de cultura utilizados nos ensaios
biológicos envolvendo o fungo Paecilomyces lilacinus.
Meio de
cultura
Glicose
(g.L
-1
)
Peptona bacteriológica
(g.L
-1
)
Extrato de Levedura
(g.L
-1
)
Com glicose 10,0 5,0 2,5
Sem glicose 0,0 5,0 2,5
As outras condições reacionais do sistema foram semelhantes às descritas
no item 4.2.3.1.2. As alíquotas foram retiradas após 15 dias de agitação orbital
dos sistemas. Após este tempo, as amostras foram filtradas sob vácuo e
congeladas para análises posteriores.
4.2.3.1.4. Teste de degradação do Imidacloprid
O fungo que apresentou melhor resposta na degradação do Tiamentoxam
foi submetido a testes de degradação do inseticida Imidacloprid, mantendo-se as
condições otimizadas discutidas no item 4.2.3.1.3.
4.2.3.2. Experimentos redutivos
4.2.3.2.1. Estudos preliminares
4.2.3.2.1.1. Estudo da potencialidade dos metais zinco (Zn
0
), magnésio (Mg
0
)
e estanho (Sn
0
) na degradação de soluções aquosas do pesticida
Tiametoxam
Os experimentos de degradação foram realizados em tubos de ensaios de
30 mL onde eram colocados 20,00 mL da solução de Tiametoxam na
concentração de 50,0 mg.L
-1
. Fez-se o ajuste do pH da solução para 2,0, com
auxílio de uma solução de H
2
SO
4
/H
2
O (1:1), e adicionou-se 0,2000 g do metal.
Finalmente, estes tubos foram colocados no banho de ultra-som (modelo 28H,
Neytech) por 20 minutos. Após este tempo, alíquotas foram retiradas e filtradas,
utilizando-se filtros Millipore (com membrana PTFE 0,45 µm e 13 mm de
diâmetro) para retirar partículas metálicas além de óxidos, hidróxidos e sulfatos
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
40
formados durante a reação. As amostras foram submetidas à análise
cromatográfica para verificação da eficiência dos processos estudados.
4.2.3.2.1.2 Estudo do efeito do pH nos experimentos redutivos
A influência do pH no processo de degradação redutiva do Tiametoxam foi
investigada através da adição de 0,2000 g de zinco metálico em soluções do
pesticida (50,0 mg.L
-1
) em pH previamente ajustado para 2,0 e 5,0 (pH natural da
solução). Não foram avaliados valores de pH acima de 7, pois o Tiametoxam
hidrolisa em soluções básicas. As condições reacionais foram descritas no item
anterior.
4.2.3.2.2. Estudo da influência das variáveis massa do metal e tempo de
exposição à radiação ultra-sônica na degradação dos pesticidas
Tiametoxam e Imidacloprid.
Amostras de 20,00 mL da solução do pesticida Imidacloprid ou Tiametoxam
(50 mg.L
-1
) em pH previamente ajustado para 2,0 foram transferidos para tubos de
ensaio de 30 mL e submetidas ao processo de degradação redutiva dos
pesticidas. Parâmetros experimentais relevantes como massa do metal, visando à
obtenção de uma maior superfície de contato entre o metal e o substrato, e tempo
de sonicação foram investigados utilizando-se planejamento fatorial de
experimentos com ponto central.
Desta forma, o efeito das duas variáveis selecionadas foi estudado em dois
níveis, configurando um planejamento fatorial 2
2
acrescido de um ponto central
realizado em triplicata, perfazendo um total de sete experimentos. A Tabela 4.4
apresenta a matriz de planejamento com os níveis estudados para cada variável.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
41
Tabela 4.4 - Planejamento fatorial completo 2
2
com ponto central realizado para
maximização da resposta de degradação dos pesticidas Tiametoxam e
Imidacloprid em solução aquosa pelos metais Zn
0
, Sn
0
e Mg
0
.
Experimento
Massa do metal
(mg)
Tempo de US
(min)
1 (-) 50 (-) 10
2 (+) 350 (-) 10
3 (-) 50 (+) 30
4 (+) 350 (+) 30
5 (0) 200 (0) 20
6 (0) 200 (0) 20
7 (0) 200 (0) 20
Ao término dos experimentos as amostras foram filtradas utilizando-se
filtros Millipore e submetidas a análises cromatográficas.
4.2.3.2.3. Estudo do efeito da exposição à radiação ultra-sônica
Para verificar a influência da radiação US na degradação redutiva do
Tiametoxam e Imidacloprid, foi realizado um planejamento fatorial 2
2
. As variáveis
escolhidas para este planejamento foram: uma variável quantitativa,
correspondendo à massa do metal, e uma variável qualitativa, correspondendo à
presença ou ausência de US. A Tabela 4.5 mostra a matriz de planejamento
assim como os níveis máximo (+), mínimo (-) para as variáveis estudadas. As
amostras que não foram submetidas à radiação ultra-sônica foram agitadas
utilizando-se um agitador magnético. Ao término da reação, as amostras foram
filtradas e submetidas à análise cromatográfica.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
42
Tabela 4.5 - Planejamento fatorial completo 2
2
para determinação da influência do
ultra-som nos processos redutivos em estudo.
Experimento
Massa do metal
(mg)
Agitação ou US
1 (-) 50 (-) Agitação
2 (+) 350 (-) Agitação
3 (-) 50 (+) US
4 (+) 350 (+) US
4.2.3.2.4. Estudo da taxa de degradação
Após a determinação das melhores condições para degradação dos
pesticidas em solução aquosa, iniciou-se um estudo para a determinação da taxa
de degradação redutiva destas moléculas. Alíquotas foram retiradas em diferentes
intervalos de tempo reacional e submetidas à análise cromatográfica, avaliando-
se a diminuição na área do pico do analito.
4.2.4. Técnicas analíticas utilizadas no monitoramento dos processos de
degradação biológica e redutiva dos pesticidas em solução aquosa
4.2.4.1. Cromatografia Líquida de alta Eficiência (HPLC)
A taxa de degradação dos pesticidas por meio dos processos biológicos e
redutivos foi determinada através de análises cromatográficas, onde se monitorou
a redução da área do pico do analito. As análises foram realizadas em um
equipamento SPD-10A (Shimadzu) utilizando-se uma coluna ODS Hypersil C18, 5
µm (4,6mm x 250 mm Supelco). A fase móvel consistia em uma solução de 10%
metanol / água (0,01% Ácido acético) sob um fluxo de 1,0 mL / min. O volume de
injeção foi de 20 µL e o detector utilizado foi o de ultravioleta, sendo monitorado
os comprimentos de onda de 254 e 275 nm para Tiametoxam e Imidacloprid,
respectivamente.
Este equipamento faz parte da infra-estrutura do Departamento de Química
da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
43
4.2.4.2. Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização “Electrospray”
(ESI-MS)
A investigação dos produtos de degradação dos pesticidas estudados,
gerados a partir dos processos biológicos e redutivos, foi realizada em um
equipamento Electrospray-LC/MS (Agilent-1100) operando em modo positivo. As
amostras foram introduzidas diretamente na fonte, com auxílio de uma
microseringa, sob um fluxo de 5 µL.min
-1
. Os parâmetros operacionais foram os
seguintes: Temperatura do capilar - 200 ºC; fluxo do gás de secagem (N
2
) - 6
L.min
-1
; potencial do spray - 3.5 kV. Para análises MS/MS, os íons precursores
foram isolados no íon trap numa faixa de 1 unidade de razão m/z e fragmentados
via dissociação induzida por colisão (CID) com gás hélio.
Este equipamento encontra-se instalado nas dependências do
Departamento de Química da Universidade Federal de Lavras (UFLA).
4.3. Resultados e discussão
4.3.1. Experimentos biológicos
4.3.1.1. Triagem fúngica
Para determinar a atividade fúngica no processo de degradação do
Tiametoxam, alíquotas recolhidas em diferentes intervalos de tempo reacional
foram submetidas a análises cromatográficas, sendo monitorada a área do pico
do Tiametoxam. Os fungos que proporcionaram uma diminuição no pico referente
ao analito após 22 dias de agitação foram considerados ativos, visto que a
diminuição do pico corresponde à biodegradação da molécula de interesse. De
acordo com os dados mostrados na Tabela 4.6, pode-se concluir que nas
condições estudadas apenas os fungos Trichoderma sp., Acremonium murorum,
Paecilomyces lilacinus e Thamnostylum sp. foram ativos no processo de
biodegradação, uma vez que proporcionaram uma redução na área do pico
referente ao Tiametoxam, superior a 70%. Nos experimentos controle, a
concentração do Tiametoxam manteve-se inalterada após o término das reações.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
44
Dentre estes, o fungo Paecilomyces lilacinus foi selecionado para estudos
de otimização do meio de cultura, uma vez que proporcionou maior taxa de
degradação. Estudos têm sido realizados utilizando-se o fungo Paecilomyces
lilacinus na degradação de dibenzofurano [Gessel, 2004] e difenil [Gessel, 2001].
Nestes estudos, o fungo oxidou dibenzofurano e difenil em vários produtos, os
quais foram identificados por Cromatografia Gasosa acoplada à Espectrometria
de Massas (GC-MS).
Tabela 4.6 - Degradação do Tiametoxam após 22 dias de tratamento biológico.
Fungo Degradação do Tiametoxam (%)
Rhizopus stolonifer
0
Aspergillus niger
0
Mucor plumbeus
0
Trichoderma sp.
73
Acremonium murorum
72
Thamnsostylum sp.
71
Paecilomyces lilacinus
80
4.3.1.2. Otimização do meio de cultura
Estudos reportam a influência dos nutrientes do meio de cultura nas taxas
de degradação de compostos de interesse. Para aumentar a taxa de degradação
do 2,4-diclorofenol (2,4-DCP) e Ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) pelos
fungos Cunningamella elegans, C. echinulata, Rhizoctonia solani e Verticillium
lecanni, Vroumsia e colaboradores [1999] variou a concentração inicial das
moléculas em estudo, a concentração de glicose e a concentração de nitrogênio.
Os níveis de 2,4-DCP e 2,4-D foram monitorados por HPLC após cinco dias de
cultivo. Os melhores resultados foram obtidos utilizando-se baixas concentrações
de glicose (5 g.L
-1
) e de nitrogênio (2,4 mmoL.L
-1
). Entretanto, a ausência de
ambos os nutrientes desfavorecem o processo de biodegradação.
A glicose é utilizada como uma das principais fontes de carbono no
metabolismo dos fungos. Sendo assim, para se tentar maximizar a degradação do
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
45
pesticida pelo fungo, avaliou-se o efeito da remoção da glicose do meio de cultura
na taxa de degradação. Sendo assim, como no item anterior, as amostras foram
submetidas a análises cromatográficas para monitoramento do pico do analito. A
Tabela 4.7 apresenta a porcentagem de degradação após 15 dias de incubação.
Como se pode observar, neste intervalo de tempo, a ausência de glicose
favoreceu a degradação do Tiametoxam em aproximadamente 20%, o que nos
leva a concluir que o fungo, possivelmente, utiliza o Tiametoxam como fonte de
carbono.
Tabela 4.7 - Degradação do Tiametoxam em dois diferentes meios de cultura
após 15 dias de incubação, utilizando-se o fungo Paecilomyces lilacinus.
Meio de cultura Degradação (%)
Com adição de glicose 61
Sem a adição de glicose
78
Pode-se observar que no meio sem adição de glicose a degradação obtida
em 15 dias (78%) foi muito próxima àquela obtida com 22 dias no meio de cultura
com glicose (80%). A taxa de degradação do Tiametoxam pelo fungo
Paecilomyces lilacinus utilizando-se o meio de cultura sem glicose foi investigada.
Alíquotas do sistema reacional foram retiradas em diferentes intervalos de tempo.
Com os resultados obtidos construiu-se um gráfico da concentração normalizada
de Tiametoxam (C/C
0
) versus o tempo de incubação.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
46
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
C/C
0
Tempo (dias)
Figura 4.3 - Concentração normalizada do inseticida Tiametoxam (C/C
0
)
como uma função do tempo (C
0
= 50 mg.L
-1
). Os experimentos biológicos foram
mantidos sob agitação orbital à temperatura ambiente.
O pH da solução foi monitorado durante o tempo de incubação e os
resultados podem ser visualizados na Tabela 4.8.
Tabela 4.8 - Monitoramento do pH durante o tempo de incubação para
biodegradação do Tiametoxan.
Ensaio Tempo (dias) pH
0 7,0 Controle
(1)
15 7,0
0 8,0 Biológico
(2)
15 8,0
(1) Experimento controle: introdução do substrato ao meio de cultura sem a
presença do fungo. (2) Ensaio biológico: introdução do substrato ao meio
contendo o fungo Paecilomyces lilacinus.
Como se pode observar, o pH do experimento controle, sem a presença do
fungo, se mantém constante ao longo do experimento (pH = 7). Entretanto, ao se
adicionar o substrato nos frascos contendo o meio de cultura e o fungo
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
47
Paecilomyces lilacinus, o pH da solução já apresentava um valor igual a 8. É
importante ressaltar que o tempo zero corresponde ao tempo que se introduziu o
substrato ao meio de cultura, e não a introdução do fungo que já havia sido
introduzido anteriormente. Desta forma, pode-se concluir que o fungo metaboliza
o meio de cultura, modificando o pH de 7 para 8. Deve-se salientar que dados da
literatura reportam que o Tiametoxam é instável em pH alcalino, sofrendo
hidrólise, com a quebra da ligação C-N do anel oxadiazino (Figura 4.4) [Liqing, Z.;
et al, 2006].
O
NN
H
3
C
N
S
Cl
NO
2
N
O
NN
H
3
C
O
N
S
Cl
[OH
-
]
Figura 4.4. Hidrólise do Tiametoxam
Sendo assim, para investigar a influência do pH alcalino nestes processos,
fez-se o ajuste prévio do meio de cultura para 8 (solução de NaOH 0,5 mol.L
-1
) e
adicionou-se o substrato conforme os procedimentos relatados no item 4.2.3.1.2.
O processo biológico utilizando-se o fungo Paecilomyces lilacinus também foi
realizado mantendo-se, rigorosamente, as mesmas condições. As alíquotas foram
retiradas do sistema reacional, filtradas e imediatamente analisadas por HPLC.
Os resultados foram sintetizados na Tabela 4.9.
Tabela 4.9. Determinação da influência do pH alcalino nos ensaios de degradação
do inseticida Tiametoxam pelo fungo Paecilomyces lilacinus.
Ensaio Degradação (%)
Controle
(1)
36 ± 1
Biológico
(2)
76 ± 1
(1) Experimento controle: introdução do substrato ao meio de cultura (pH = 8,0)
sem a presença do fungo. (2) Ensaio biológico: introdução do substrato ao meio
contendo o fungo Paecilomyces lilacinus.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
48
Através destes resultados, pode-se perceber que a participação do
metabolismo fúngico é responsável por uma maior taxa de degradação da
molécula nas condições estudadas. Além disso, o fungo é responsável pelo
aumento do pH do meio, o qual favorece a hidrólise do Tiametoxam. Em ensaios
anteriores, os experimentos controle (pH = 7,0) não apresentaram variação da
concentração de Tiametoxam.
4.3.1.3. Experimentos biológicos envolvendo o pesticida Imidacloprid
O fungo Paecilomyces lilacinus foi submetido a testes de degradação do
pesticida Imidacloprid, utilizando-se o meio de cultura sem a presença de glicose
que apresentou melhores resultados de degradação para o Tiametoxam. Os
resultados cromatográficos indicaram que o fungo selecionado apresentou uma
porcentagem de degradação de aproximadamente 30% após 15 dias de
incubação, como se pode observar na Tabela 4.10.
Tabela 4.10 - Degradação do Imidacloprid após 15 dias de incubação, utilizando-
se o fungo Paecilomyces lilacinus. O sistema foi mantido sob agitação orbital à
temperatura ambiente.
Ensaio Degradação (%)
Controle 0
Biológico 31,5
No entanto, o pH do sistema reacional, ao término do experimento,
apresentou um valor igual a 8 e, semelhantemente ao Tiametoxam, dados
reportam que o Imidacloprid é instável em pH acima de 7 (Figura 4.5) [ZHENG,
1999; Vilchez, 1996].
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
49
.
Cl
NO
2
N
N
N
N
[OH
-
]
N
N
N
O
Cl
Figura 4.5. Hidrólise do Imidacloprid
Desta forma, pode-se inferir que, semelhantemente ao Tiametoxam, o
fungo metaboliza o meio de cultura com um conseqüente aumento do pH do
meio, proporcionando um aumento na taxa de hidrólise da molécula em estudo.
Entretanto, os experimentos realizados indicam que o pesticida Imidacloprid é
mais resistente aos processos biológicos testados.
4.3.1.4. Avaliação dos produtos de degradação por meio da técnica ESI-MS
4.3.1.4.1 - Tiametoxam
Para elucidar os produtos de biodegradação do Tiametoxam pelo fungo
Paecilomyces lilacinus, as amostras dos experimentos biológicos foram
introduzidas no espectrômetro de massas sem nenhum tratamento prévio. As
condições de operação do equipamento foram descritas no item 4.2.4.2.
Primeiramente, fez-se a análise do experimento controle, isto é, do Tiametoxam
presente em meio de cultura (sem a presença do fungo), mantidas nas mesmas
condições dos experimentos de biodegradação (Figura 4.6a). A Figura 4.6b
mostra o espectro obtido para a solução contendo Tiametoxam após 15 dias de
incubação com o fungo Paecilomyces lilacinus.
Moléculas que contêm um átomo de cloro em sua estrutura têm dois picos
na região do peso molecular separados por duas unidades de massa, os quais
correspondem a algumas moléculas que contém o isótopo cloro-35 e outras que
contêm o isótopo cloro-37. A intensidade destes dois picos é referente à
abundância natural dos dois isótopos, sendo que a razão das intensidades dos
isótopos cloro-35 e cloro-37 é de 3:1. Sendo assim, pode-se inferir que o
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
50
Tiametoxam possui uma massa nominal de 291 Da (para o isótopo
35
Cl) e 293 Da
(para o isótopo
37
Cl).
A Figura 4.6a mostra o espectro de massas do meio de cultura contendo o
inseticida Tiametoxam podendo-se observar a presença do aduto protonado, [1 +
H]
+
, de m/z 292/294, além dos adutos [1 + Na]
+
, m/z 314/316 e [1 + K]
+
, m/z
330/332. É importante mencionar que, mesmo utilizando-se uma matriz bastante
complexa, foi possível detectar a presença do Tiametoxam (1, C
8
H
10
N
5
O
3
SCl).
Além dos picos referentes ao pesticida, pode-se perceber a presença
predominante de um pico de m/z 175 que é referente a ingredientes do meio de
cultura, observado em experimentos controle.
Pode-se perceber na Figura 4.6b uma diminuição da intensidade do pico de
m/z 292/294, [1 + H]
+
, além da presença predominante de um íon de m/z 248/250.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
51
100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
[1 + K]
+
[1 + Na]
+
[1 + H]
+
fragmento
Meio de cultura
a)
211
330
314
292
175
Abundância Relativa (%)
m/z
100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
[1 + K]
+
[1 + Na]
+
[1 + H]
+
Não identificado
Meio de cultura
Não identificado
[4a ou 4b + H]
+
[2 + H]
+
b)
343
162
175
189
211
330
314
292
248
Abundância Relativa (%)
m/z
Figura 4.6 - ESI(+)-MS do meio de cultura contendo o inseticida
Tiametoxam (50,0 mg.L
-1
) (1) (a) Experimento controle; (b) Incubação por 15 dias
com o fungo Paecilomyces lilacinus.
Deste modo, levando-se em consideração a m/z de cada íon, foram
propostas estruturas para os íons de m/z 248/250, representado por [2 + H]
+
, e
211 representado pelos isômeros [4a + H]
+
e [4b + H]
+
, mostradas no Esquema
4.1. De acordo com os resultados, a diferença de 44 unidades de m/z entre [1 +
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
52
H]
+
(de m/z 292/294) e [2 + H]
+
(de m/z 248/250) é formalmente, referente a ([1 +
H]
+
- 2N (28 Da) - 1O (16 Da)). Semelhantemente, a diferença de 81 unidades de
m/z entre [1 + H]
+
e os isômeros [4a + H]
+
e [4b + H]
+
indica que estas estruturas
podem ser entendidas como ([1 + H]
+
- 1 N (14 Da) - 2O (32 Da) - Cl (35 Da)).
Desta forma, uma rota de biodegradação do Tiametoxam (1) em solução
aquosa induzida pelo fungo Paecilomyces lilacinus foi proposta, como mostrado
no Esquema 4.1. Sugere-se que o mecanismo envolva uma etapa de hidrólise do
grupo NNO
2
promovida pelo meio alcalino. Este grupo é um forte retirador de
elétrons, o que possibilita a formação de uma carga parcial positiva sobre o
carbono adjacente. Desta forma, o grupo OH
-
ataca o sítio positivo da molécula
formando o composto 2. Para a formação do produto 4a e 4b, sugere-se a
formação inicial dos intermediários isoméricos 3a, 3b e 3c através de uma
hidrólise do grupo NO
2
, seguida de uma eliminação de HCl.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
53
+
N
O
N
N
N
O
O
-
N
S
Cl
1 (291/ 293 Da)
2 (247/ 249 Da)
N
O
N
O
N
S
Cl
[1 + H]
+
m/z 292/ 294
[1 + Na]
+
m/z 314/ 316
[2 + H]
+
m/z 248/ 250
H
2
O
NH
2
NO
2
[1 + K]
+
m/z 330/ 332
[3a + H]
+
m/z 247/ 249
3a (246/ 248 Da)
N
O
N
N
H
N
S
Cl
H
2
O
HNO
3
N
O
N
N
H
N
S
Cl
3b (246/ 248 Da)
[3b + H]
+
m/z 247/ 249
[3c + H]
+
m/z 247/ 249
3c (246/ 248 Da)
N
O
N
N
N
S
H
Cl
HCl
N
O
N
N
N
S
4a (210 Da)
[4a + H]
+
m/z 211
N
O
N
N
N
S
[4b + H]
+
m/z 211
4b (210 Da)
Esquema 4.1. Proposta para a rota de biodegradação do Tiametoxam
induzida pelo fungo Paecilomyces lilacinus.
Para confirmação das estruturas propostas provenientes da biodegradação
do Tiametoxam (1) pelo fungo Paecilomyces lilacinus, o íon [2 + H]
+
foi analisado
por ESI(+)-MS/MS. A fragmentação por CID do íon selecionado gerou uma série
de íons filhos (Tabela 4.11) que sustentam a proposta feita para a estrutura, como
pode ser observado no Esquema 4.2.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
54
Tabela 4.11 - Principais fragmentos gerados por CID do íon de m/z 248,
detectado no ESI(+)-MS do meio de cultura contendo Tiametoxam (1) tratado com
o fungo Paecilomyces lilacinus.
N
O
N
O
N
+
S
Cl
H
[2 + H]
+
m/z 248
- HCl; - H
2
CID
N
O
N
+
O
N
S
Cl
133 Da
+
m/z 115
m/z 115
N
O
N
O
H
-CH
4
N
O
N
O
H
m/z 99
+
+
+
m/z 99
N
O
N
OH
m/z 210
CID
N
N
+
S
Cl
H
CID
N
O
O
m/z 161
N
N
+
S
Cl
H
m/z 161
N
O
CID
N
C
N
+
S
Cl
H
O
m/z 175
N
C
N
+
S
Cl
H
O
H
m/z 175
Esquema 4.2. Proposta do caminho de fragmentação do íon [2 + H]
+
após a
seleção e fragmentação promovida por CID.
Íon precursor (m/z) Fragmentos (abundância relativa %)
[2 + H]
+
(248) 99 (100), 210 (45), 175 (35), 161 (29)
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
55
4.3.1.4.2 – Imidacloprid
A Figura 4.7a mostra o espectro ESI(+)-MS do experimento controle dos
experimentos biológicos envolvendo o inseticida Imidacloprid (1a e 1b,
C
9
H
10
ClN
5
O
2
). Este composto possui uma massa nominal de 255 Da (para o
isótopo
35
Cl) e 257 Da (para o isótopo
37
Cl) e, desta forma, o espectro de massas
mostra a presença do aduto protonado [1a ou 1b + H]
+
de m/z 256/260.
Semelhantemente aos resultados envolvendo o inseticida Tiametoxam, o íon de
m/z 175 é referente a ingredientes do próprio meio de cultura. A Figura 4.7b
mostra o espectro de massas do meio de cultura contendo o Imidacloprid após 15
dias de incubação com o fungo Paecilomyces lilacinus. Pode-se perceber a
presença predominante de um íon de m/z 256, não sendo observado o íon de m/z
258, supostamente referente à presença de
37
Cl, com uma abundância típica de
33%. Além disso, pode-se observar a presença de outros íons de m/z 210 e 192.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
56
100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
[1a ou 1b + K]
+
[1a ou 1b + Na]
+
[1a ou 1b + H]
+
Meio de cultura
a)
175
256
278
294
Abundância Relativa (%)
m/z
100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
Meio de cultura
[4a ou 4b + H]
+
[3 + H]
+
[2 + H]
+
b)
278
294
175
192
210
256
Abundância Relativa (%)
m/z
Figura 4.7 - ESI(+)-MS do meio de cultura contendo o inseticida
Imidacloprid (50 mg.L
-1
) (1) (a) Experimento controle; (b) Incubação por 15 dias
com o fungo Paecilomyces lilacinus.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
57
Desta forma, levando-se em consideração a m/z de cada íon, foram
propostas estruturas para os íons de m/z 256, representado por [2 + H]
+
, m/z 210,
representado por [3 + H]
+
, e m/z 192, representado por [4a ou 4b + H]
+
,
mostradas no Esquema 4.3. De acordo com os resultados, o íon [2 + H]
+
de m/z
256, que parece não conter o isótopo
37
Cl, é sugerido ser formado através de ([1a
ou 1b + H]
+
- HCl (36/ 38 Da) + 2 H
2
O (36 Da)). A diferença de 46 Da entre [2 +
H]
+
(de m/z 256) e [3 + H]
+
(de m/z 210) sugere que [3 + H]
+
pode ser entendido
como ([2 + H]
+
- 2N (28 Da) - 1O (16 Da) - 2H (2 Da)). Finalmente, a diferença de
18 Da entre [3 + H]
+
(de m/z 210) e [4a ou 4b + H]
+
sugere que [4a ou 4b + H]
+
é
referente a ([3 + H]
+
- H
2
O (18 Da)).
Sendo assim, com base nos resultados descritos anteriormente, uma rota
de biodegradação do pesticida Imidacloprid (1a e 1b) induzida pelo fungo
Paecilomyces lilacinus foi proposta, como mostrado no Esquema 4.3. Sugere-se
que o mecanismo envolva uma etapa de hidroxilação do anel piridínico,
proporcionando sua descloração, e também do anel pirrólico. Uma segunda etapa
consiste na hidrólise do grupo NNO
2
promovida pelo meio alcalino formando o
composto 3, que sofre uma desidratação para formar os isômeros 4a e 4b.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
58
N
N
Cl
N
N N
O
-
O
H
+
1a (255/ 257 Da)
[1b + H]
+
m/z 256/ 258
+
N
N
HO
N
N N
O
-
O
H
OH
H
N
N
HO
N
OH
H
O
N
N
HO
N
H
O
N
N
HO
N
OH
2 H
2
O
HCl
[1b + H]
+
m/z 256/ 258
1b (255/ 257 Da)
+
N
N
Cl
N
N N
O
-
O
H
2 (255 Da)
[2 + H]
+
m/z 256
NH
2
NO
2
+ H
2
a) H
2
O
b) [O]
[3 + H]
+
m/z 210
3 (209 Da)
H
2
O
4a (191 Da)
[4a + H]
+
m/z 192
[4b + H]
+
m/z 192
4b (191 Da)
Esquema 4.3. Proposta para a rota de degradação do Imidacloprid induzida
pelo fungo Paecilomyces lilacinus em solução aquosa.
Para confirmação das estruturas propostas provenientes da biodegradação
do Imidacloprid (1a ou 1b), os íons [2 + H]
+
e [3 + H]
+
foram analisados por
ESI(+)-MS/MS. A seleção de massas e fragmentação por CID dos íons gerou uma
série de íons filhos (Tabela 4.12) que possibilitaram a sustentação das propostas
sugeridas para as estruturas, como pode ser observado nos Esquemas 4.4 e 4.5.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
59
Tabela 4.12 - Principais fragmentos gerados por CID dos íons de m/z 210 e 256
detectados no ESI(+)-MS do meio de cultura contendo Imidacloprid (2) tratada
com o fungo Paecilomyces lilacinus.
Íon precursor (m/z) Fragmentos (abundância relativa %)
[3 + H]
+
(210) 193 (100)
[2 + H]
+
(256) 224 (100), 209 (55), 211 (45), 210 (37), 176
(23), 136 (19)
+
N
HO
O
N
N
H
OH
H
CID
+
N
HO
N
O
NH
3
O
H
O
H
N
HO
N
C
O
+
[3 + H]
+
m/z 210
m/z
210
m/z 193
NH
3
Esquema 4.4. Proposta de fragmentação do íon [3 + H]
+
após seleção e
fragmentação por CID.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
60
N
HO
N
N
N
H
OH
H
N
O
O
H
+
N
N
N
H
HO
-
N
HO
N
N
N
OH
H
N
N N
H
H
+
+
H
N
N
HO
N
N
N
H
OH
H
O
O
NH
+
N
HO
N
N
N
H
OH
H
+
H
+
+
H
O
O
N
N
HO
N
N
N
H
OH
H
-
+
+
O
N
NH
N
HO
O
N
N
H
OH
H
N
HO
O
N
N
H
OH
H
+
H
HNO
2
+
+
H
O
N
N
HO
N
N
H
NH
2
O
H
O
-
CO; NH
3
+
N
HO
N
H
H
N
NO
2
[2 + H]
+
m/z 256
m/z 211
m/z 256
m/z 209
H
2
O; N
2
; H
2
m/z 224
m/z 176
[2 + H]
+
m/z 256
m/z 210
[2 + H]
+
m/z 256
-
m/z
136
H
2
O, 2CO
m/z 256
+
[O]
Esquema 4.5. Proposta de fragmentação do íon [2 + H]
+
após seleção e
fragmentação por CID.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
61
4.3.2. Experimentos redutivos
4.3.2.1. Estudo da potencialidade dos metais zinco (Zn
0
), magnésio (Mg
0
) e
estanho (Sn
0
) na degradação de soluções aquosas do pesticida Tiametoxam
Neste trabalho os testes iniciais para redução foram realizados após o
ajuste do pH da solução para 2,0 seguido da adição de 200,0 mg do metal. Dados
da literatura reportam que valores mais altos de pH favorecem a formação de
óxidos/hidróxidos que passivam o metal, impedindo que a superfície metálica doe
elétrons para o substrato, e desta forma, não ocorre degradação significativa da
molécula de interesse [Liu, 2006]. O sistema foi submetido à radiação ultra-sônica
por 20 minutos. Esses testes foram úteis para se determinar a potencialidade dos
metais zinco, magnésio e estanho na degradação redutiva do Tiametoxam. Após
o processo redutivo, a solução tratada foi analisada por HPLC. Os dados
cromatográficos obtidos foram normalizados e os valores percentuais de
degradação do Tiametoxam podem ser visualizados na Tabela 4.13.
Tabela 4.13 - Porcentagem de degradação do Tiametoxam obtida no processo
redutivo pelos metais Zn
0
, Sn
0
e Mg
0
. Concentração inicial do Tiametoxam = 50
mg.L
-1
.
Metal
Degradação do Tiametoxam
(%)
Zn
0
99
Sn
0
88
Mg
0
25
De acordo com os resultados mostrados na Tabela 4.13, pode-se perceber
que os metais Zn
0
e Sn
0
foram eficazes na degradação do Tiametoxam, uma vez
que apresentaram percentuais de degradação superiores a 80%. Embora estes
ensaios demonstrem uma ineficiência do Mg
0
na degradação redutiva do
Tiametoxam, sua capacidade redutora na degradação do pesticida em estudo
será abordada com mais detalhes no próximo item.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
62
4.3.2.2. Estudo do efeito do pH nos experimentos redutivos envolvendo o
pesticida Tiametoxam
Sabendo-se da relevância do pH da solução nos processos envolvendo
metais de valência zero, um novo estudo foi realizado tentando-se averiguar a
magnitude desta variável na degradação do Tiametoxam pelo zinco metálico.
Como se pode observar na Tabela 4.14, apenas para pH = 2,0 foi obtido uma
considerável porcentagem de degradação, indicando que valores mais baixos da
escala de pH favorecem a degradação redutiva da molécula em estudo. Outros
trabalhos da literatura relatam efeito semelhante para outras moléculas [Kumar,
2004].
Tabela 4.14 - Efeito do pH na degradação redutiva de uma solução do inseticida
Tiametoxam (50,0 mg.L
-1
) . Massa de 200,0 mg de zinco e 20 min de sonicação.
(n = 2).
pH Degradação do Tiametoxam (%)
2,0
98,9 ± 0,2
5,0
2,3 ± 0,1
É importante ressaltar que não houve variação significativa do pH das
soluções resultantes dos experimentos redutivos quando se utilizou os metais Zn
0
e Sn
0
. Entretanto, para os experimentos envolvendo o Mg
0
, o pH aumentou
subitamente em um pequeno intervalo de tempo após o início da reação. Desta
forma, levando-se em consideração a importância do pH nos processos redutivos,
conforme discutido anteriormente, novos experimentos envolvendo o magnésio
foram realizados, monitorando e ajustando o pH durante todo o intervalo
reacional. Quando se fez o ajuste desta variável, pôde-se perceber uma melhora
significativa na capacidade redutora do Mg
0
sobre o Tiametoxam, obtendo-se
cerca de 80% de degradação, como pode ser visualizado na Figura 4.8. De
acordo com Kumar e Charaborty, durante a reação são gerados íons OH
-
provocando o aumento do pH da solução. Em pH alcalino ocorre a formação e
precipitação de Mg(OH)
2
causando a passivação da superfície do Mg
0
e, desta
forma, a degradação do Tiametoxam é interrompida. Quando se acidifica o
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
63
sistema durante todo o intervalo reacional, não ocorre a formação destes
hidróxidos, o que favorece a transferência de elétrons do metal para o substrato.
0 5 10 15 20 25 30
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
C/C
0
Tempo (min)
Figura 4.8. Concentração normalizada do inseticida Tiametoxam (C/C
0
)
como uma função do tempo (C
0
= 50,00 mg.L
-1
). As reações foram conduzidas
em solução aquosa na presença de magnésio metálico. (•) Sem ajuste do pH
durante o tempo reacional. () Ajuste do pH durante todo o intervalo reacional
com solução H
2
SO
4
/H
2
O (1:1)
4.3.2.3. Influência das variáveis massa do metal e tempo de exposição à
radiação ultra-sônica na degradação dos pesticidas Tiametoxam e
Imidacloprid.
Para investigar a influência das variáveis massa do metal e tempo de
exposição à radiação ultra-sônica na degradação dos pesticidas Tiametoxam e
Imidacloprid, realizou-se um planejamento fatorial completo 2
2
. As respostas de
degradação, para os experimentos que foram realizados de acordo com a matriz
de planejamento descrito no item 4.2.3.2.2, foram obtidas através de técnicas
cromatográficas, sendo que os valores percentuais de degradação podem ser
visualizados na Tabela 4.15. Para saber a importância de cada variável (massa
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
64
do metal e tempo de exposição à radiação US) no sistema de degradação
redutiva do Tiametoxam induzida por metais de valência zero, foram realizados os
cálculos dos efeitos principais e das interações de 2ª ordem para as variáveis
estudadas. Para isso utilizou-se planilhas eletrônicas, desenvolvidas por um grupo
de pesquisa da UNICAMP, utilizando-se o software Excel
da Microsoft.
Tabela 4.15 - Planejamento fatorial completo 2
2
com ponto central realizado para
investigação da influência das variáveis massa do metal e tempo de exposição à
radiação ultra-sônica na degradação do Tiametoxam.
Zinco Estanho Magnésio Experimento
Degradação
(%)
Degradação
(%)
Degradação
(%)
1 (50 mg do metal / 10 US) 67,0 40,0 29,3
2 (350 mg do metal / 10 US) 74,0 82,0 50,2
3 (50 mg do metal / 30 US) 91,0 78,8 33,1
4 (350 mg do metal / 30 US) 100,0 95,5 76,3
5 (200 mg do metal / 20 US) 98,7 91,1 76,1
6 (200 mg do metal / 20 US) 99,0 90,1 73,6
7 (200 mg do metal / 20 US) 99,0 83,0 75,6
Os efeitos obtidos para as variáveis estudadas bem como para suas
interações podem ser visualizados na Tabela 4.16. Pode-se perceber que ambas
variáveis foram significativas a 95% de confiança, sendo seus efeitos positivos,
indicando que a passagem do nível (-) para o nível (+) contribui com um aumento
na resposta de degradação. Além disso, as interações entre as variáveis
selecionadas, observadas para os metais Zn
0
e Mg
0
, também foram significativas
e positivas, indicando que se obtém maior resposta quando se trabalha
simultaneamente no nível (+) das duas variáveis. Estes resultados indicam que
melhores respostas de degradação redutiva do Tiametoxam são obtidas quando
são utilizadas quantidades maiores do metal e maior tempo de exposição à
radiação US. Isto pode ser explicado levando-se em consideração que uma maior
massa do agente redutor compreende uma maior superfície de contato
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
65
estabelecida entre o metal e o substrato, e, desta forma, maior será a capacidade
de transferência de elétrons do metal para a molécula de interesse,
proporcionando uma degradação mais efetiva destes compostos. Além disso, de
acordo com dados reportados na literatura [Hung, 2000; Hung, 1998], a radiação
ultra-sônica favorece a limpeza contínua do metal dos óxidos/hidróxidos formados
durante a reação permitindo a transferência de elétrons do metal para o substrato
[Zhang, 2005; Y Z DAÍ, 2006]. Com relação à magnitude dos efeitos, os
resultados variaram entre os metais estudados: para a degradação utilizando Zn
0
,
o tempo de US foi a variável mais significativa; para o Sn
0
as duas variáveis
estudadas apresentaram efeitos parecidos e para o Mg
0
, o maior efeito foi
observado para a massa de metal utilizada, o que pode ser explicado pela
utilização de magnésio em pó, o que promoveu o consumo quase que total do
metal.
Tabela 4.16 - Efeitos das variáveis massa do metal e tempo de exposição à
radiação ultra-sônica na degradação dos pesticidas Tiametoxam e Imidacloprid e
suas interações obtidas no planejamento fatorial completo 2
2
com ponto central.
Zinco Estanho Magnésio Variável
Efeito Efeito Efeito
Média
(SG)
*
89,81 ± 0,07 (SG) 80,08 ± 1,68 (SG) 59,18 ± 0,50
Massa do metal
(SG) 8,00 ± 0,17 (SG) 29,33 ± 4,44 (SG) 32,04 ± 1,32
Tempo US
(SG) 25,00 ± 0,17 (SG) 26,17 ± 4,44 (SG) 15,01 ± 1,32
Interação de 2ª
ordem
(SG) 1,00 ± 0,17 -12,67 ± 4,44 (SG) 11,19 ± 1,32
(SG)
*
Significativo a 95% de confiança
Também foi realizada uma avaliação do ajuste do modelo linear
empregando a análise de variância (ANOVA). Entretanto, os cálculos efetuados,
cujos valores foram descritos na Tabela 4.17 (mostrados apenas para o
planejamento envolvendo o zinco metálico), indicam que o modelo de regressão
apresentou uma falta de ajuste significativa para alguns planejamentos e, além
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
66
disso, nenhum deles apresentou regressão significativa indicando que o modelo
proposto não se aplicava satisfatoriamente aos dados obtidos. A falta de ajuste
pode ser explicada uma vez que o gráfico de resíduos (não mostrado) apresentou
resultados tendenciosos e, além disso, o coeficiente de correlação R apresentou
um valor muito diferente de 100%. Essa falta de ajuste era esperada uma vez
que, observando-se os dados da Tabela 4.15, os valores obtidos no ponto central
são muito próximos ao obtido para o experimento no nível (+) para as duas
variáveis, ou seja, 350,0 mg do metal e 30 minutos de US, o que indica que o
sistema estudado não segue um comportamento linear. Verifica-se então que com
massas de 200,0 mg e 20 min. de sonicação pode-se obter uma degradação
significativa e que o aumento da massa e/ou tempo não melhoraram a resposta
obtida.
Tabela 4.17 - Análise de variância para regressão múltipla envolvendo o sistema
de degradação redutiva do inseticida Tiametoxam induzida pelo Zn
0
.
Fonte de Variação SQ nGL MQ F
Regressão
690 3 230 1,59
Resíduos
433 3 144
F. Ajuste
433 1 433 (SG) 14446,29
Erro Puro
0,06 2 0,03
Total
1123 6
% variação explicada
61,42
% máx. de variação explicável
99,99
Resultados semelhantes foram obtidos para o inseticida Imidacloprid
(Tabelas 4.18 e 4.19), onde se pode perceber que as duas variáveis selecionadas
apresentaram efeitos significativos e também positivos. A única exceção foi para o
sistema envolvendo a variável tempo de exposição à radiação US para o
magnésio metálico, que não foi significativa a 95% de confiança. Uma outra
diferença em relação aos resultados obtidos para o Tiametoxam é com relação às
interações entre as variáveis que foram negativas, sendo significativas apenas
para o sistema envolvendo o zinco metálico. A interação negativa indica que
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
67
melhores resultados são obtidos quando se utiliza uma das variáveis no nível
superior e a outra no nível inferior. Neste caso, como a magnitude do efeito
referente à massa do metal foi maior e também positivo, o planejamento indica
que se deva trabalhar com maior massa de Zn
0
e menor tempo de exposição à
radiação US.
Tabela 4.18: Planejamento fatorial completo 2
2
com ponto central realizado para
investigação da influência das variáveis massa do metal e tempo de exposição à
radiação ultra-sônica na degradação do Imidacloprid.
Zinco Estanho Magnésio Experimento
Degradação (%)
Degradação (%)
Degradação (%)
1 (50 mg do metal / 10 US) 66,2 35,2 27,7
2 (350 mg do metal / 10 US)
96,3 74,9 96,9
3 (50 mg do metal / 30 US) 89,3 65,7 53,2
4 (350 mg do metal / 30 US)
100,0 92,9 100,0
5 (200 mg do metal / 20 US)
99,2 95,1 82,9
6 (200 mg do metal / 20 US)
99,6 90,2 97,6
7 (200 mg do metal / 20 US)
94,2 90,2 90,8
Tabela 4.19: Cálculos dos efeitos principais e de interação de 2ª ordem referentes
ao planejamento fatorial com ponto central realizado para investigação da
influência das variáveis massa do metal e tempo de exposição à radiação ultra-
sônica na degradação do Imidacloprid.
Zinco Estanho Magnésio Variável
Efeito Efeito Efeito
Média
(SG)
*
92,11 ± 1,14 (SG) 77,74 ± 1,07
(SG) 78,44 ± 2,78
Massa do metal
(SG) 20,40 ± 3,01 (SG) 33,45 ± 2,83
(SG) 58,00 ± 7,36
Tempo US
(SG) 13,40 ± 3,01 (SG) 24,25 ± 2,83
14,30 ± 7,36
Interação de 2ª
ordem
(SG) -9,70 ± 3,01 -6,25 ± 2,83 -11,20 ± 7,36
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
68
(SG)
*
Significativo a 95% de confiança
A avaliação do ajuste do modelo linear foi realizada empregando-se a
análise de variância (ANOVA). Os dados não se ajustaram ao modelo, obtendo-se
conclusões semelhantes às discutidas para o sistema envolvendo a degradação
do Tiametoxam.
4.3.2.4. Estudo do efeito da exposição à radiação ultra-sônica (US) na
degradação dos pesticidas Tiametoxam e Imidacloprid.
No estudo anterior foi verificado que o tempo de sonicação afeta
significativamente o processo de degradação, sendo que quanto maior o tempo,
maior a taxa de degradação. Outro planejamento fatorial 2
2
foi realizado para
verificar se seria possível realizar a degradação redutiva sem o emprego do ultra-
som. O tempo de agitação e de sonicação foram fixados em 30 minutos. Para a
avaliação da importância da exposição US nos experimentos de degradação
redutiva dos inseticidas Tiametoxam e Imidacloprid, as amostras foram
submetidas a análises cromatográficas, sendo monitorada a área referente ao
pico do analito, e as porcentagens de degradação dos compostos em estudo
podem ser visualizados nas Tabelas 4.20 e 4.21.
Tabela 4.20 - Planejamento fatorial 2
2
para otimização da degradação do
pesticida Tiametoxam em solução aquosa pelos metais Zn
0
e Sn
0
. (n = 2)
Zinco Estanho Experimento
Degradação (%) Degradação (%)
1 (50 mg do metal / agitação)
59,0 ± 7,0 39,1 ± 3
2 (350 mg do metal / agitação)
100,0 ± 0,1 99,7 ± 0,2
3 (50 mg do metal / US)
97,0 ± 1,0 85,6 ± 4
4 (350 mg do metal / US)
100,0 ± 0,1 95,4 ± 0,9
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
69
Tabela 4.21 - Planejamento fatorial 2
2
para otimização da degradação do
pesticida Imidacloprid em solução aquosa pelos metais Zn
0
e Sn
0
. (n = 2)
Zinco Estanho Experimento
Degradação (%) Degradação (%)
1 (50 mg do metal / agitação)
49,8 ± 3,0 26,6 ± 1,0
2 (350 mg do metal / agitação)
99,9 ± 0,1 99,9 ± 0,1
3 (50 mg do metal / US)
98,9 ± 0,8 87,3 ± 1,0
4 (350 mg do metal / US)
99,9 ± 0,1 92,9 ± 7,0
Os cálculos dos efeitos principais e as interações de 2ª ordem, cujos
resultados foram descritos nas Tabelas 4.22 e 4.23, também foram realizados
com auxílio das planilhas eletrônicas, desenvolvidas pelo grupo de pesquisa da
UNICAMP, conforme descrito anteriormente. Todos os efeitos foram significativos
a 95% de confiança.
Tabela 4.22 - Planejamento fatorial 2
2
realizado para verificação da influência do
ultra-som na degradação redutiva do Tiametoxam
Zinco Estanho Variável
Efeito Efeito
Média
(SG)
*
89,14 ± 1,26 (SG) 79,95 ± 0,90
Massa do metal
(SG) 21,64 ± 2,52 (SG) 35,16 ± 1,81
Agitação ou US
(SG) 19,00 ± 2,52 (SG) 21,14 ± 1,81
Interação de 2ª ordem
(SG) -19,01 ± 2,52 (SG) -25,40 ± 1,81
(SG)
*
Significativo a 95% de confiança
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
70
Tabela 4.23 - Planejamento fatorial 2
2
realizado para verificação da influência do
ultra-som na degradação redutiva do Imidacloprid
Zinco Estanho Variável
Efeito Efeito
Média (SG)
*
87,13 ± 0,62
(SG) 76,68 ± 1,29
Massa do metal (SG) 25,55 ± 1,24 (SG) 39,43 ± 2,58
Agitação ou US (SG) 24,52 ± 1.24 (SG) 26,81 ± 2,58
Interação de 2ª ordem (SG) -24,51 ± 1,24
(SG) -33,89 ± 2,58
(SG)
*
Significativo a 95% de confiança
Pode-se perceber em ambos os planejamentos (Tabelas 4.22 e 4.23), que
as variáveis selecionadas apresentaram valores positivos para os efeitos,
indicando que o aumento da massa do metal e a exposição do sistema à radiação
ultra-sônica, conduzem a maiores taxas de degradação dos compostos em
estudo. Entretanto, a interação entre as duas variáveis, também observado para
ambos os planejamentos, apresentou um sinal negativo, indicando que, quando
se utiliza uma das variáveis no nível (+) e a outra no nível (-) também se obtêm
uma alta degradação. Assim, quando se utiliza menor massa de metal e radiação
ultra-sônica ou maior massa de metal e agitação convencional é possível se obter
altas taxas de degradação. Através de uma análise das Tabelas 4.20 e 4.21 pode-
se perceber que para os experimentos 1 e 3, que apresentam uma massa de 50
mg do metal, o uso de radiação ultra-sônica proporciona um acréscimo de
aproximadamente 50% na resposta de degradação para todos os planejamentos
estudados. Entretanto, para os experimentos 2 e 4, que apresentam uma massa
de 350 mg do metal, os resultados são muito semelhantes para ambos os
experimentos, apresentando aproximadamente 100% de degradação dos
pesticidas. Desta forma, pode-se concluir que a influência do US é mais
significativa quando se utiliza pequenas massas do metal. Estes resultados
podem ser claramente observados no gráfico da concentração normalizada do
pesticida (C/C
0
) como uma função do tempo para os experimentos redutivos
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
71
envolvendo o zinco metálico (Figura 4.9). Resultados semelhantes foram obtidos
para o estanho.
0 5 10 15 20 25 30
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
a)
C/C
0
Tempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
b)
C/C
0
Tempo (min)
Figura 4.9 - Concentração normalizada do inseticida (C/C
0
) como uma
função do tempo: (a) Tiametoxam; b) Imidacloprid. As reações foram conduzidas
em solução aquosa (pH = 2), na presença de 50,0 mg de zinco metálico com ou
sem a irradiação ultra-sônica. As barras representam o desvio padrão das
replicatas. () Sem a presença de radiação ultra-sônica. (•) Com a presença de
radiação ultra-sônica.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
72
De acordo com os resultados, pode-se concluir que para uma degradação
efetiva dos compostos de interesse com pequenas massas do metal, o emprego
da radiação ultra-sônica é imprescindível para garantir que a superfície do metal
ficará exposta e que os elétrons poderão ser transferidos para o substrato. Em
contrapartida, quando se utiliza massas bem maiores (7 vezes), o uso da radiação
ultra-sônica pode ser dispensado.
4.3.2.5. Avaliação dos produtos de degradação por ESI-MS
Para elucidar os produtos de degradação redutiva dos pesticidas
Tiametoxam e Imidacloprid em solução aquosa, alíquotas do sistema reacional
foram analisadas em um espectrômetro de massas com fonte de ionização
electrospray usado no modo positivo, ESI(+)-MS.
4.3.2.5.1. Estudo do mecanismo de degradação redutiva do pesticida
Tiametoxam em solução aquosa
A Figura 4.10a mostra o espectro de massas das soluções de Tiametoxam
(1, C
8
H
10
N
5
O
3
SCl) em pH = 2 e concentração 50,0 mg.L
-1
, no tempo 0 e depois de
30 minutos de tratamento redutivo com estanho metálico sob radiação ultra-
sônica. O espectro de massas da solução aquosa de Tiametoxam (Figura 4.10a)
mostra a presença predominante do aduto protonado, [1 + H]
+
, de m/z 292/294,
além do aduto [1 + Na]
+
, de m/z 314/316. O íon de m/z 211 corresponde ao
produto de fragmentação do [1 + H]
+
. A seleção por massas e a dissociação
induzida por colisão (CID – “collison-induced dissociation”) do íon m/z 292, que é
proporcionada pela colisão do íon com o gás de colisão (hélio) na fonte de íons,
levou à formação do íon m/z 211 que corresponde à perda de NO
2
(46 Da) mais
um átomo de cloro (35/37 Da).
A Figura 4.10b mostra o espectro de massas da solução aquosa de
Tiametoxam após o tratamento redutivo com estanho metálico durante 30 minutos
de radiação ultra-sônica. Resultados semelhantes foram obtidos para o zinco
metálico (não mostrados). Pode-se perceber a redução da intensidade do pico de
m/z 292/294, [1 + H]
+
indicando um considerável consumo desta molécula sob as
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
73
condições estudadas. Além disso, a presença de outros íons de m/z 262/264,
247/249, e 274/276 foram detectados. Pode-se observar pela abundância
isotópica dos íons, uma forte evidência da presença de cloro em suas estruturas.
100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
a)
Fragmento
[1 + Na]'
[1 + H]'
211
314
292
Abundância Relativa (%)
m/z
100 150 200 250 300 350
400
0
20
40
60
80
100
não idendificado
fragmento
Não identificado
b)
[1c + H]'
[1 + H]'
[1d + H]'
[1b + H]'
161
174
211
247
262
274
288
292
316
Abundância Relativa (%)
m/z
Figura 4.10 - ESI(+)-MS da solução aquosa de Tiametoxam 50,0 mg.L
-1
(1)
tratada por estanho metálico (350 mg) na presença de radiação ultra-sônica. (a) 0
min; (b) 30 min.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
74
De acordo com as informações relatadas anteriormente e levando-se em
consideração a m/z de cada íon, foram propostas estruturas para os íons de m/z
262/264, 247/249, e 274/276, as quais são respectivamente representadas por:
[1b + H]
+
, [1c + H]
+
, e [1d + H]
+
e mostradas no Esquema 4.6. De acordo com os
resultados, a diferença de 30 unidades de m/z entre [1 + H]
+
(de m/z 292/294) e
[1b + H]
+
(de m/z 262/264) indica que [1b + H]
+
é referente à ([1 + H]
+
- 2O (32
Da) + 2H (2 Da)). Semelhantemente, a ∆ m/z entre [1b + H]
+
(de m/z 262/ 264) e
[1c + H]
+
(de m/z 247/ 249) de 15 unidades sugere que [1c + H]
+
pode ser
entendido como ([1b + H]
+
- NH
2
(16 Da) + H (1 Da)). Finalmente, ∆ m/z entre [1 +
H]
+
(de m/z 292/ de 294) e [1d + H]
+
(de m/z 274/ 276) de 18 unidades indica que
[1d + H]
+
é referente ([1 + H]
+
- H
2
O (18 Da)).
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
75
+
N
O
N
N
N
O
O
-
N
S
Cl
1 (291/ 293 Da)
M, H
+
1a (293/ 295 Da)
N
O
N
N
N
OH
H
N
S
Cl
M
2+
, H
2
O
N
O
N
N
NH
2
N
S
Cl
1b (261/ 263 Da)
M, H
+
M
2+
, H
2
O
M
2+
, NH
3
M, H
+
1c (246/ 248 Da)
N
O
N
N
H
N
S
Cl
[1 + H]
+
m/z 292/ 294
[1 + Na]
+
m/z 314/ 316
[1a + H]
+
m/z 294/ 296
[1b + H]
+
m/z 262/ 264
[1c + H]
+
m/z 247/ 249
1d (273/ 275 Da)
N
O
N
N
N
N
S
Cl
O
-
+
[1d + H]
+
m/z 274/ 276
M
M
2+
, H
-
N
O
N
N
N
O
O
-
N
S
Cl
H
+
H
+
H
2
O
Esquema 4.6. Proposta para a rota de degradação do Tiametoxam
promovido pelos metais Zn
0
e Sn
0
em solução aquosa (pH = 2).
Para confirmação das estruturas propostas provenientes da degradação
redutiva do Tiametoxam (1), os íons [1b + H]
+
, [1c + H]
+
, e [1d + H]
+
foram
analisados por ESI(+)-MS/MS. A seleção por massas e fragmentação por CID dos
íons gerou uma série de íons filhos (Tabela 4.24), os quais sustentam as
propostas feitas para as estruturas, como pode ser observado no Esquema 4.7.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
76
Tabela 4.24. Principais fragmentos gerados por CID dos íons [1b + H]
+
, [1c + H]
+
,
e [1d + H]
+
detectados no ESI(+)-MS de uma solução aquosa de Tiametoxam (1)
tratada com os metais de valência zero.
Íon precursor (m/z) Fragmentos (abundância relativa %)
[1b + H]
+
(262) 232 (100), 189 (27), 161 (46)
[1c + H]
+
(247) 217 (79), 161 (100)
[1d + H]
+
(274) 244 (100), 161 (76)
m/z 161
N
N
S
Cl
H
+
- N
2
m/z 189
+
N
C
N
S
Cl
H
N
H
NH
2
m/z 232
- H
3
CN=CH
2
+
+
N
N
S
Cl
N
H
N
NH
2
CH
2
O
[1b + H]
+
m/z 262
CID
N
O
N
N
NH
2
N
S
Cl
H
CID
[1c + H]
+
m/z 247
N
O
N
N
H
N
S
Cl
H
+ +
N
N
S
Cl
H
N
N
H
m/z 217
- CH
2
O
- HN=CH-N=CH
2
m/z 161
+
N
N
S
Cl
H
CID
[1d + H]
+
m/z 274
+
N
O
N
N
N
N
S
Cl
O
-
H
+
- CH
2
O
+
+
N
N
N
N
S
Cl
O
-
H
N
m/z 244
+
m/z 161
N
S
Cl
H
O
N
- 2 HCN
- H
2
C=NH
Esquema 4.7. Proposta do caminho de fragmentação dos íons [1b + H]+,
[1c + H]+, e [1d + H]+ após a seleção e fragmentação promovida por CID .
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
77
Com base nestes resultados, uma rota de degradação para a reação do
Tiametoxam (1) em solução aquosa (pH = 2) induzida por metais de valência zero
foi proposta, como mostrado no Esquema 4.6. Sugere-se que o mecanismo
envolva uma etapa inicial da reação que consiste na redução do grupo nitro de 1
com a formação de uma hidrazina hidroxilada muito instável 1a. Pode-se perceber
que os íons [1a + H]
+
de m/z 278/280 não foram detectados no espectro ESI(+)-
MS, como mostrado no Esquema 4.6. Sabe-se que muitos agentes podem ser
utilizados para promover a redução do grupo NO
2
, como Fe
0
, Zn
0
e Sn
0
na
presença de ácido. Entretanto, o mecanismo destas reduções foi pouco estudado,
embora se presuma que geralmente os compostos que carregam o grupo
hidroxilamino são intermediários nestes processos, porque podem ser isolados
sob determinadas circunstâncias. Sequencialmente, a hidrazina hidroxilada 1a é
rapidamente reduzida para formar a hidrazona 1b, a qual pode sofrer uma
eliminação redutiva do grupo NH
3
para formar a imina 1c, que é provavelmente
estabilizada pela ressonância dos elétrons não ligantes do nitrogênio do anel. A
formação de 1b e 1c a partir de 1 foi relatada em trabalhos anteriores. Ford e
Casida [2006] observaram que os compostos 1b e 1c são dois dos vários
produtos formados a partir do metabolismo do Tiametoxam por ratos. Em um
outro trabalho, Casida [2005] e colaboradores relataram a síntese de 1b e 1c
tratando 1 com ferro ou zinco metálico em solução aquosa ácida. Finalmente, a
formação de um carbânion estabilizado seguido por um ataque nucleofílico do
carbono aniônico ao nitrogênio do grupo eletrofílico NO
2
seguido de uma perda de
água é proposto para explicar a formação do composto 1d, que é desconhecido.
4.3.2.5.2. Estudo do mecanismo de degradação redutiva do pesticida
Imidacloprid em solução aquosa
A Figura 4.11a mostra o espectro ESI(+)-MS de uma solução aquosa (pH =
2) do pesticida Imidacloprid (2), que mostra a presença dos íons de m/z 256/ 258
e 278/ 280, atribuídas ao [2 + H]
+
e [2 + Na]
+
, respectivamente. A abundância
isotópica de ambos os íons indica a presença de um átomo de cloro em suas
estruturas.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
78
100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
a)
[2 + Na]
+
[2 + H]
+
278
256
Abundância relativa (%)
m/z
100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
b)
[2e + H]
+
[2c + H]
+
211
177
[2b + H]
+
226
192
[2d + H]
+
Abundância relativa (%)
m/z
Figura 4.11. ESI(+)-MS da solução aquosa de Imidacloprid 50,0 mg.L
-1
(2)
tratada com zinco metálico (350 mg) na presença de radiação ultra-sônica. (a) 0
min; (b) 30 min.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
79
A Figura 4.11b mostra o espectro ESI(+)-MS de uma solução aquosa do
pesticida Imidacloprid tratada com zinco metálico e submetida à irradiação ultra-
sônica por 30 minutos. Espectros similares foram obtidos para o Sn
0
(não
mostrados). Depois deste tempo, não se detectou os íons [2 + H]
+
e [2 + Na]
+
indicando que o pesticida Imidacloprid (2) tenha sido degradado sob estas
condições. Além disso, foi detectada a presença de outros íons: m/z 226/ 228,
211/ 213, 192, e 177 (o primeiro e o segundo apresentam átomo de cloro em suas
estruturas). Estes dados foram analisados e baseando-se nos argumentos usados
para a interpretação Tiametoxam, foram propostas as estruturas para os íons de
m/z 226/ 228, 211/ 213, 192, e 177, as quais foram representadas por: [2b + H]
+
,
[2c + H]
+
, [2d + H]
+
, e [2e + H]
+
(Esquema 4.8). Estas estruturas são consistentes
com a fragmentação dos íons [2b + H]
+
, [2c + H]
+
, [2d + H]
+
, e [2e + H]
+
(Tabela
4.25), como claramente representado no Esquema 4.9.
2c (210/ 212 Da)
N
N
Cl
N
NH
2
[2c + H]
+
m/z 211/ 213
M
2+
; NH
3
M, H
+
[2e + H]
+
m/z 177
[2d + H]
+
m/z 192
[2b + H]
+
m/z 226/ 228
[2a + H]
+
m/z 242/ 244
[2 + H]
+
m/z 256/ 258
M
2+
; NH
3
M, H
+
N
N
N
NHNH
2
N
N
Cl
N
NHNH
2
2e (176 Da)
N
N
N
NH
2
M
2+
; Cl
-
M, H
+
2d (191 Da)
2b (225/ 227 Da)
M
2+
; H
2
O
M, H
+
N
N
Cl
N
N N
H
OH
H
2a (241/ 243 Da)
M
2+
, H
2
O
M, H
+
2 (255/ 257 Da)
+
N
N
Cl
N
N N
O
-
O
H
Esquema 4.8. Proposta de degradação do Imidacloprid (2) promovida pelos
metais (Sn
0
, Zn
0
) em solução aquosa ácida.
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
80
Tabela 4.25. Principais fragmentos gerados por CID dos íons [2b + H]
+
, [2c + H]
+
,
[2d + H]
+
, e [2e + H]
+
detectados no ESI(+)-MS de uma solução aquosa de
Imidacloprid (2) tratada com os metais de valência zero.
Íon precursor (m/z) Íons fragmentos (Abundância relativa %)
[2b + H]
+
(226) 190 (59), 141 (35), 100 (100)
[2c + H]
+
(211) 128 (100)
[2d + H]
+
(192) 175 (44), 119 (100)
[2e + H]
+
(177) 94 (100)
CID
H
N
N
NH
2
+
+
N
N
N
NH
2
H
X
[2c + H]
+
; X = Cl; m/z 211
CID
CID
N
N
N
NHNH
3
+
[2d + H]
+
m/z 192
m/z 175
N
N
N
NH
+
- NH
3
N
N
+
m/z 119
- HCN
- CH
3
NHNH
2
CID
CID
CID
N
N
Cl
N
NHNH
2
H
[2b + H]
+
m/z 226
N
N
Cl
H
H
+
m/z 141
- N
2
H
2
- HCN; - C
2
H
4
+
- HCl
+
N
N
N
NHNH
2
m/z 190
NCl
CH
2
N
N
NHNH
2
H
+
.
.
m/z 100
[2e + H]
+
; X = H; m/z 177
X = H; m/z 94
X = Cl; m/z 128
N
H
X
Esquema 4.9 - Proposta do caminho de fragmentação dos íons [2b + H]+,
[2c + H]+, [2d + H]+, e [2e + H]+ após a seleção e fragmentação promovida por
CID .
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
81
De acordo com os resultados, o mecanismo para a degradação do
Imidacloprid (2) em solução aquosa ácida induzida por metais de valência zero
foram propostos, como descrito no Esquema 4.8. Esta rota, como sugerido
igualmente para a degradação do Tiametoxam sob circunstâncias idênticas,
(Esquema 4.6), envolve a redução inicial do grupo nitro de 2 para gerar a
hidrazina hidroxilada instável 2a (cuja forma protonada de m/z 242/ 244 não foram
detectados na Figura 4.11b). Sequencialmente, 2a pode rapidamente ser reduzida
para formar a hidrazona monosubstituída 2b, a qual pode submeter-se a uma
eliminação redutiva do NH
3
para formar a amina 2c. Pardo e colaboradores [1999]
investigaram a degradação fotoquímica de Imidacloprid (2) através da técnica
Polarografia de Pulso Diferencial (DPP) e pela Cromatografia Eletrocinética
micelar capilar (MECC). Baseado nestes resultados eles propuseram uma rota
muito similar para a degradação de 2 formando os compostos 2a, 2b, e 2c. Os
compostos 2b e 2c também foram relatados em outros trabalhos [Anhalt, 2007;
Cox, 1997; Dick, 2005; Kagabu, 1995; Papiernik, 2006; Schulz-Jander, 2002].
Alternativamente, 2b pode sofrer uma descloração redutiva para formar a
hidrazina 2d, a qual gera a amina 2e através de um eliminação redutiva do NH
3
(as formas da hidrazona e da imina dos compostos 2b/ 2d e 2c/ 2e,
respectivamente, não são representados no Esquema 4.8 devido, provavelmente,
às suas elevadas instabilidades). Casida e colaboradores [2005] sintetizaram o
composto 2e pela primeira vez e verificaram que sua atividade inseticida é
comparável ao do Imidacloprid [Latli, 1999]. Além disso, relatou-se que a remoção
do halogênio dos anéis aromáticos (como é argumentado na descloração do
Imidacloprid proposto no Esquema 4.7) pode ser realizada por diversos metais de
valência zero, [Colon, 1982; Hoffmann, 1962] incluindo o Sn
0
, o Zn
0
, e o Fe
0
, em
meio ácido.
4.4. Conclusões parciais
Os estudos mostram que o fungo Paecilomyces lilacinus, no pH estudado,
possui a capacidade de degradar as moléculas dos inseticidas neonicotinóides
estudados e que a ausência de glicose no meio de cultura favorece a degradação
destes compostos. Provavelmente, a ausência de fonte de carbono induz o fungo
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
82
a consumir o composto de interesse para adquirir a energia necessária à sua
sobrevivência. O Tiametoxam parece ser mais susceptível à degradação
envolvendo o fungo Paecilomyces lilacinus, pois apresentou maior taxa de
degradação (cerca de 80%) sob as condições estudadas, enquanto que o
Imidacloprid apresentou uma taxa de degradação de cerca de 30%. Embora os
testes realizados envolvendo os processos biológicos tenham apresentado
resultados promissores quanto à degradação dos pesticidas em meio aquoso,
pode-se dizer que este método necessita de condições favoráveis de trabalho,
que muitas vezes inviabiliza o processo. Também é importante ressaltar que,
como se pode ver nos mecanismos propostos, não se obteve completa
mineralização dos compostos poluentes, uma vez que eles foram apenas
convertidos em outros compostos, e que se faz necessário verificar a toxicidade
destes produtos, pois muitas vezes, podem ser mais tóxicos que os de origem.
Além disso, são necessários vários dias de incubação para que os compostos de
interesse sejam degradados, o que também se torna um grande inconveniente.
As análises por Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização
“Electrospray” mostraram-se muito eficientes para os estudos mecanísticos,
sendo que as amostras foram analisadas sem tratamento prévio, isto é, sem
extração com solvente dos componentes do meio de cultura. De acordo com os
resultados apresentados neste trabalho, mesmo utilizando-se uma matriz
complexa, foi possível identificar os compostos de origem, além dos produtos de
biodegradação. Esta técnica é muito promissora, uma vez que em estudos de
biotransformação são realizadas várias etapas de purificação dos produtos de
reação dos compostos orgânicos pelos microorganismos. Além disso, tem-se uma
grande perda de massa dos compostos de interesse nestas etapas, que muitas
vezes inviabilizam a técnica, uma vez que o rendimento das reações muitas vezes
é baixo.
Os estudos de degradação redutiva indicam que os metais, Zn
0
e Sn
0
,
quando em solução ácida, são efetivos na remoção dos inseticidas
neonicotinóides estudados, apresentando um mecanismo de degradação
semelhante para ambas as moléculas. Embora o Mg
0
tenha apresentado uma
Capítulo 4: Estudos de degradação de pesticidas neonicotinóides
83
elevada taxa de degradação para os compostos estudados, deve-se ressaltar que
este metal é mais susceptível à passivação por óxidos/hidróxidos formados
durante o processo, e que por isso se faz necessário o ajuste do pH durante todo
o intervalo reacional. A técnica é muito simples e demanda pouco tempo de
reação para que os compostos de interesse sejam degradados. Entretanto, não
se obteve completa mineralização dos compostos poluentes, uma vez que estas
moléculas apenas foram convertidas em outros compostos, sendo necessários
estudos de toxicidade.
Os métodos quimiométricos, utilizando-se planejamento fatorial de
experimentos, possibilitaram a investigação da influência das variáveis estudadas
na degradação dos pesticidas Tiametoxan e Imidacloprid com um número mínimo
de experimentos. Através destes estudos foi possível verificar que massa do
metal e tempo de exposição ao ultra-som afetam significativamente a degradação
dos pesticidas estudados. Também foi possível verificar que a presença de
radiação ultra-sônica é mais significativa quando se utiliza pequenas massas do
metal.
Semelhantemente aos processos biológicos, a técnica Espectrometria de
Massas com Fonte de Ionização “Electrospray” mostrou-se muito eficaz na
elucidação do mecanismo de degradação envolvendo os processos redutivos.
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
84
CAPÍTULO 5
ESTUDOS DE DEGRADAÇÃO
REDUTIVA DO CORANTE
ÍNDIGO CARMIM EM SOLUÇÃO
AQUOSA.
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
85
5. ESTUDOS DE DEGRADAÇÃO REDUTIVA DO CORANTE ÍNDIGO CARMIM
EM SOLUÇÃO AQUOSA.
5.1. Introdução
A importância dos corantes para a civilização humana é evidente e bem
documentada. Mesmo nos tempos mais remotos, os pigmentos já eram utilizados
para fazer inscrições rupestres. Estes compostos, inicialmente, eram obtidos de
fontes naturais sendo que apenas em 1856 foi obtido o primeiro corante sintético
por William Henry Perkin, um químico inglês, que sintetizou a mauveina.
Atualmente, os corantes sintéticos são extensivamente utilizados nas indústrias
alimentícia, têxtil, gráfica, fotográfica e também como aditivos em derivados de
petróleo. Aproximadamente 10.000 diferentes corantes e pigmentos são usados
industrialmente, o que representa um consumo anual de cerca de 7 x 10
5
tons no
mundo [Spadaro, 1992; Nigam e Marchant, 1996; Nigam, 1995], sendo 26.500
tons somente no Brasil [Guaratini, 2000].
A indústria têxtil vem se destacando nas últimas décadas devido ao seu
importante papel na economia de muitos países. No Brasil, esta indústria se
destaca entre os 8 setores mais importantes da atividade industrial
[Conchon,
1999]. Embora as diferenças tecnológicas entre as pequenas e grandes indústrias
sejam bastante significativas, todas têm em comum a particularidade de utilizar
grandes quantidades de água. Este fato, associado ao baixo aproveitamento dos
insumos (corantes, detergentes, engomantes, amaciantes, etc.), faz com que a
indústria têxtil seja responsável pela geração de grandes volumes de resíduos,
com elevada carga orgânica e forte coloração [Kunz, 2002].
A problemática ambiental associada ao efluente têxtil é bastante
conhecida. Devido a sua própria natureza, a presença dos corantes é facilmente
detectada, sendo visíveis mesmo em concentrações tão baixas como 1 mg L
-1
.
Quando lançados nos corpos aquáticos receptores, mesmo quantidades
reduzidas podem alterar a coloração natural dos rios, resultando em graves
problemas estéticos além de reduzir alguns processos fotossintéticos [Kunz,
2002; Guaratini, 2000]. Os corantes apresentam composição química variada,
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
86
baixa degradabilidade por processos biológicos, elevada DQO, além da presença
de compostos recalcitrantes que podem estar associados à toxicidade crônica e
aguda [Kunz, 2002; Ciardelli, 2001]. Além disso, admite-se que o maior problema
ambiental envolvendo corantes esteja representado pela ampla utilização de
azocorantes, espécies químicas de reconhecido efeito carcinogênico e
mutagênico [Zanoni, 2001; Nam, 2001].
No Brasil, a Resolução 357 do CONAMA estabelece critérios de qualidade
para a água, sendo que os níveis de coloração são estabelecidos de acordo com
a sua classificação (água doce, água salina e água salobra). É importante
ressaltar que a Resolução também deixa claro que o lançamento de efluentes nos
corpos receptores não pode alterar a sua classificação, e desta forma, os
processos de degradação destes efluentes devem ser capazes de garantir os
padrões de qualidade da água desejados.
5.1.1. Índigo Carmim
O corante índigo-carmim, ou sal sódico do ácido 5,5'-indigodisulfônico, é
um corante muito utilizado na indústria alimentícia, fabricação de cápsulas como
um pigmento solúvel, empregado como corante de contraste para a mucosa
colorretal para melhor visualização de lesões detectadas pela colonoscopia, e é
também usado como agente complexante para a análise de cobre por
espectrofotometria. Entretanto, seu principal emprego acontece nas indústrias
têxteis. Sua estrutura e algumas de suas propriedades podem ser visualizadas na
Figura 5.1 e na Tabela 5.1 respectivamente.
N
H
O
O
N
SO
3
Na
NaO
3
S
H
Figura 5.1. Estrutura do corante Índigo Carmim.
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
87
Tabela 5.1. Propriedades físico-químicas do corante Índigo Carmim.
Propriedades Índigo Carmim
Fórmula química C
16
H
8
N
2
Na
2
O
8
S
2
Massa molar 466,36 g.mol
-1
Ponto de fusão >300 °C
Solubilidade em água 10 g.L
-1
(25 °C)
5.2. Parte Experimental
5.2.1. Metodologia
5.2.1.1. Estudo da degradação redutiva do corante Índigo Carmim em
solução aquosa.
5.2.1.1.1. Estudos preliminares
Foram realizados testes iniciais para verificar a potencialidade dos metais
Zn
0
, Sn
0
, Mg
0
e Fe
0
sobre a degradação da molécula Índigo Carmim em solução
aquosa. Para isso, 200,0 mg do metal foram adicionados a 20,00 mL de uma
solução de Índigo Carmim (40,0 mg.L
-1
) em pH previamente ajustado para 2,0,
com auxílio de uma solução de H
2
SO
4
/H
2
O (1:1) e submetidos à radiação ultra-
sônica por 30 minutos. Quando se utilizou o metal Mg
0
, fez-se o ajuste do pH
durante todo o intervalo reacional. Após o tempo estabelecido, as amostras foram
filtradas utilizando-se filtros Millipore e posteriormente analisadas utilizando-se um
espectrofotômetro UV-Vis.
5.2.1.1.2. Estudo da potencialidade da esponja de aço Bombril
na
degradação redutiva do corante
Alguns experimentos foram realizados para verificar a potencialidade da
esponja de aço Bombril
como fonte de ferro metálico nos processos redutivos
envolvendo a molécula Índigo Carmim em solução aquosa. Desta forma, 330,0
mg do bombril
foram adicionados a 20,00 mL de uma solução de Índigo Carmim
(40,0 mg.L
-1
) em pH previamente ajustado para 2,0, com auxílio de uma solução
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
88
de H
2
SO
4
/H
2
O (1:1). A solução foi agitada durante 30 minutos. Após este tempo,
as amostras foram coletadas e analisadas em um espectrofotômetro UV-Vis,
evitando-se, desta forma, a etapa de filtragem.
5.2.2. Técnicas analíticas utilizadas no monitoramento da reação redutiva do
corante Índigo Carmim em solução aquosa.
5.2.2.1. Espectrofotometria de Absorção Molecular na região do Ultravioleta-
Visível (EAM-UV-Vis).
A redução do corante Índigo Carmim foi monitorada pela técnica
Espectrofotometria de Absorção Molecular na região do Ultravioleta-Visível (EAM-
UV-Vis). Para isso utilizou-se um espectrofotômetro Varian modelo Cary 50
Series. As análises foram realizadas no modo varredura completa, na faixa
compreendida de 190 a 800 nm, utilizando-se uma cubeta de quartzo com 1 cm
de caminho óptico.
Este equipamento faz parte da infra-estrutura do Departamento de Química
da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).
5.2.2.2. Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização “Electrospray”
(ESI-MS)
A reação do corante Índigo Carmim utilizando-se a esponja de aço bombril
foi monitorada pela técnica ESI-MS, com o objetivo de elucidar os produtos da
reação. Estas análises foram realizadas em um equipamento Electrospray-LC/MS
(Agilent-1100) operando em modo negativo. As amostras foram diretamente
introduzidas na fonte, com auxílio de uma microseringa, sob um fluxo de 5 µL.min
-
1
. Os parâmetros operacionais foram os seguintes: temperatura do capilar 200 ºC,
fluxo do gás de secagem (N
2
) 6 L.min
-1
, potencial do spray 3.5 kV. Para análises
MS/MS, os íons precursores foram isolados no íon trap numa faixa de 1 unidade
de razão m/z e fragmentados via dissociação induzida por colisão (CID) com gás
hélio.
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
89
Este equipamento encontra-se instalado nas dependências do
Departamento de Química da Universidade Federal de Lavras (UFLA).
5.3. Resultados e discussão
5.3.1. Estudos preliminares – Potencialidade dos metais Zn
0
, Sn
0
, Mg
0
e Fe
0
na degradação do corante Índigo Carmim em solução aquosa.
Os ensaios redutivos do corante Índigo Carmim indicaram, visualmente,
uma completa descoloração da solução para todos os metais testados. Desta
forma, foram retiradas alíquotas do sistema reacional para análise por EAM-UV-
Vis, para monitoramento da reação. Entretanto, na etapa de filtragem, para
retirada dos metais dispersos em solução (além de óxidos/hidróxidos formados
durante a reação), a solução apresentou novamente a coloração azul, indicando
uma reversibilidade da reação. Acredita-se que o grupo cromóforo seja reduzido e
que o contato com o oxigênio do ar seja capaz de oxidá-lo novamente. No caso
da etapa de filtragem, o processo abrupto de empurrar o êmbolo da seringa, para
que a solução passe pelo filtro, seja suficiente para a oxidação da molécula e,
desta forma, ocorre o restabelecimento do grupo cromóforo responsável pela
coloração. Desta forma, não foi possível monitorar a reação por EAM-UV-Vis.
Sendo assim, novos experimentos foram realizados, eliminando-se a etapa de
filtragem para que a reação pudesse ser monitorada por EAM-UV-Vis.
5.3.2. Potencialidade da esponja de aço Bombril
nos ensaios redutivos do
corante Índigo Carmim
Resultados semelhantes foram obtidos quando se utilizou a esponja de aço
Bombril
, obtendo-se a mesma reversibilidade da reação. É importante ressaltar
que não foi utilizada radiação ultra-sônica, sendo observado que ao cessar a
agitação o sistema apresentou restabelecimento da cor. Desta forma, pôde-se
fazer o monitoramento reacional pela técnica espectrofotométrica UV-Vis, pois
não foi realizada a etapa de filtragem, uma vez que as amostras foram
cuidadosamente recolhidas com uma pipeta de Pasteur. A Figura 5.2, mostra o
espectro UV-Vis de uma solução aquosa do corante Índigo Carmim (40,0 mg.L
-1
)
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
90
em 0 e 30 minutos de tratamento redutivo com a esponja de aço. Observando-se
os espectros, pode-se perceber que a banda que absorve na região
compreendida entre 500 e 700 nm, que corresponde à faixa visível do espectro
eletromagnético responsável pela coloração azul do corante Índigo Carmim, é
quase totalmente consumida em 30 minutos de reação. Ainda se pode notar, para
o espectro da amostra tratada com o metal, o aparecimento de uma banda que
absorve na região compreendida entre 350 e 400 nm, (região ultravioleta do
espectro eletromagnético).
Figura 5.2. Espectro UV-Vis de uma solução de Índigo Carmim (40,0 mg.L
-
1
) em tempo 0 e 30 minutos de tratamento redutivo utilizando-se esponja de aço
Bombril
(pH = 2,0).
Após cessar a agitação, a amostra foi deixada em contato com o ar
atmosférico. Alíquotas foram retiradas do sistema para monitoramento do
restabelecimento da cor através da técnica espectrofotométrica UV-Vis. A Figura
5.3 mostra o espectro de uma mesma amostra nos tempos 0, 10, 20, 30, 43 e 64
minutos após cessar a agitação. Como se pode observar ocorre o
restabelecimento da banda que absorve na região do visível com conseqüente
diminuição da banda que absorve na região ultravioleta do espectro
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
91
eletromagnético, tendendo ao restabelecimento do espectro original, o que indica
a reversibilidade da reação.
Figura 5.3. Espectro UV-Vis de uma solução do corante Índigo Carmim
(40,0 mg.L
-1
) após tratamento redutivo com esponja de aço Bombril
, que ficou
exposta ao oxigênio do ar atmosférico por tempos variados.
5.3.3. Estudo do mecanismo da reação do corante Índigo Carmim em
solução aquosa promovida por Fe
0
Para tentar explicar a rota de degradação do corante Índigo Carmim pelos
metais de valência zero, estudos preliminares envolvendo a técnica ESI-MS foram
realizados. A Figura 5.4 mostra o ESI(-)-MS de uma solução aquosa de Índigo
Carmim (40,0 mg.L
-1
, pH = 2,0) em tempo 0 e 30 minutos de tratamento redutivo
envolvendo a esponja de aço bombril
. Pode-se observar na Figura 5.4a a
presença do ânion de m/z 210 que corresponde ao Índigo Carmim na sua forma
totalmente desprotonada (isto é, desprotonação dos dois grupos sulfônicos
presentes na molécula), desta forma, a razão m/z compreende a massa molar do
composto dividido por dois, pois se tem a presença de duas cargas negativas.
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
92
Também é observada a presença do ânion de m/z 421 que corresponde apenas à
desprotonação de um grupo sulfônico, e desta forma, a razão m/z compreende a
massa molar do composto divido por um (Figura 5.4).
100 200 300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
a)
97
210
275
347
421
Abundância Relativa (%)
m / z
100 200 300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
b)
503
463
210
97
249
186
352
427
Abundância Relativa (%)
m / z
Figura 5.4. ESI(-)-MS da solução aquosa de Índigo Carmim 40,0 mg.L
-1
tratada com esponja de aço Bombril
. (a) 0 min; (b) 30 min.
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
93
Pode-se perceber na Figura 5.4b que após 30 minutos de tratamento
redutivo houve o desaparecimento do íon de m/z 421 e diminuição da intensidade
do pico de m/z 210, indicando que houve um consumo da molécula nestas
condições. Também pode ser observado o surgimento de outros picos de m/z
427, 352, 249, e 186. Baseados nestes resultados preliminares e levando-se em
consideração os resultados referentes ao espectro de absorção molecular UV-Vis,
foi proposta uma rota de degradação do corante Índigo Carmim em solução
aquosa, a qual é mostrada no Esquema 5.1. Não foi possível propor estruturas
para os picos de m/z 352, 249 e 186. Deve-se ressaltar que apenas estes
resultados são insuficientes para explicar com clareza a rota de degradação
redutiva do corante, e desta forma, novos ensaios devem ser realizados, fazendo-
se as fragmentações por CID dos íons formados durante a reação.
N
H
O
O
N
SO
3
H
-
O
3
S
H
H
N
H
-
O
3
S
OH
SO
3
H
N
OH
m/z 421
m/z
427
M, H
+
M
+2
Esquema 5.1. Proposta para a rota de degradação do corante Índigo
Carmim induzida por metais de valência zero.
5.4. Conclusões parciais
Os estudos de degradação do corante Índigo Carmim em solução aquosa
envolvendo metais de valência zero indicam que se forma um produto instável, o
qual é oxidado novamente quando se encontra na presença de oxigênio
atmosférico.
A técnica analítica EAM-UV-Vis utilizada para o monitoramento da
redução/oxidação do corante permitiu visualizar com clareza a reversibilidade da
reação, uma vez que a forma reduzida apresenta um espectro totalmente
diferente da forma oxidada. Quando a solução incolor é exposta ao oxigênio do ar
atmosférico, tem-se o restabelecimento da coloração com um conseqüente
Capítulo 5: Estudos de degradação redutiva do corante Índigo Carmim
94
restabelecimento do espectro EAM-UV-Vis da forma oxidada, isto é, da forma
original.
Os experimentos envolvendo a técnica Espectrometria de Massas com
Fonte de Ionização “Electrospray” permitiu fazer uma proposta do mecanismo de
degradação para o corante Índigo Carmim induzida por metais de valência zero.
Entretanto, novos experimentos devem ser realizados, fazendo-se as
fragmentações por CID dos íons formados durante a reação para confirmação da
proposta sugerida.
Capítulo 6: Considerações finais
95
CAPÍTULO 6
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Capítulo 6: Considerações finais
96
6. Considerações finais
Neste trabalho foram investigados dois diferentes processos de
degradação para os pesticidas Tiametoxam e Imidacloprid, os processos
biológicos envolvendo fungos filamentosos como agentes responsáveis pelo
processo de biodegradação e os redutivos utilizando-se metais de valência zero
como agentes redutores. Os processos redutivos apresentam maior versatilidade
quando comparados aos processos biológicos, que necessitam de condições
favoráveis de reação, como nutrientes adequados, temperatura, agitação, entre
outros. Além disso, os processos biológicos demandam um maior tempo para que
as moléculas sejam degradadas de forma efetiva.
Estudos mecanísticos mostraram que ambos os processos apresentam
rotas de degradação muito distintas, entretanto não foram observadas
mineralização de nenhuma molécula estudada, isto é sua conversão a CO
2
e
água. Embora se tenha obtido resultados promissores quanto à degradação das
moléculas estudadas, deve-se fazer um estudo quanto à toxicidade dos produtos
gerados, uma vez que o principal objetivo de um processo de degradação é que
sejam gerados produtos menos tóxicos. Desta forma, embora se tenha obtido
consideráveis taxas de degradação para ambos os processos, não se pode
afirmar que eles sejam eficazes na depuração de sítios contaminados.
Os resultados indicam que o corante Índigo Carmim não é degradado
efetivamente pelos processos redutivos. Enquanto o metal doa elétrons para o
corante, a descoloração da solução é observada, uma vez que o grupo cromóforo
é reduzido, quebrando a seqüência de duplas ligações alternadas. Entretanto,
quando se cessa a reação, o oxigênio do ar atmosférico oxida novamente a
molécula, tendendo ao restabelecimento do grupo cromóforo e
conseqüentemente o restabelecimento da cor. Embora os processos redutivos
não sejam efetivos do ponto de vista ambiental, novos estudos devem ser
realizados investigando-se o mecanismo da reação, de grande interesse para a
química teórica. Estudos preliminares, baseados em espectros obtidos por
“electrospray”, mostram que a seqüência de duplas alternadas do grupo
cromóforo é totalmente reduzida. Entretanto, novos estudos envolvendo
Capítulo 6: Considerações finais
97
fragmentação por CID dos fragmentos observados (MS
2
) devem ser realizados,
pois estes possibilitam a confirmação das propostas sugeridas para os produtos
gerados.
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