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Minicurso 1 - Métodos químicos e espectroscopia para a caracterização da
matéria orgânica do solo.Dra. Larissa Macedo dos Santos
Minicurso 1 - Métodos químicos e espectroscopia para a caracterização da matéria orgânica do solo.� INTRODUÇÃO:Solo (Definição, Composição)Matéria Orgânica (Importância, Definição, Composição,...)Humificação
� CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA (QUANTIFICAÇÃO):Metodologias: gravimetria por incineração em mufla, termogravimetria, cromatografia, oxidação por via seca e oxidação por via úmida.
� CARACTERIZAÇÃO ESPECTROSCÓPICA:Técnicas: absorção de luz UV-Visível, ressonância paramagnética eletrônica; ressonância magnética nuclear, infravermelho com transformada de Fourier, fluorescência de luz UV-Visível, fluorescência induzida por laser, LIBS, absorção e emissão atômica.
SOLO
Geologia QuímicaBiologia
Agronomia Engenharia Civil
Solo: � material inconsolidado, que recobre a superfície terrestre;� constituídos de três fases: sólida (minerais e matéria orgânica), líquida (solução do solo) e gasosa (ar).
� CTC
� Complexação de metais
� Acidez do solo
� Estrutura do solo
� Retenção de água
� Fonte de energia para microorganismos
� Atividade enzimática
� ...
Mistura de compostos em vários estágios de
decomposição, que resultam da degradação
biológica de resíduos de plantas e animais, e da
atividade sintética de microrganismos.
STEVENSON, F. J. Humus Chemistry: genesis, composition, reactions. 2. ed. New York: John Wiley, 1994. 496 p.
Matéria Orgânica
PolissacarídeosProteínasAçúcares
AminoácidosÁcidos Orgânicos
Ácido HúmicoÁcido Fúlvico
Humina
Fracionamento Químico da MOS
Substâncias não Húmicas
Substâncias Húmicas
70%
Fracionamento Químico da MOS
Fração InsolúvelHumina
Fração SolúvelÁcido Fúlvico 2
HCl LLavagem com 0,1 mol -1
Extração comNaOH0,1 mol L-1
Fração SolúvelÁcido Húmico e Fúlvico
Acidificação com HCl 6 mol L-1
Ácido Húmico
Lavar até pH ≅ 7,0
Armazenar o sobrenadante(Ácido Fúlvico 1)
Armazenar o líquidodas lavagens da
humina
Armazenaro líquidoArmazenar o sobrenadante
Solo
Metodologia sugerida pela Sociedade Internacional de Substâncias Húmicas
Matéria Orgânica Substâncias Húmicas�
HUMIFICAÇÃO
- 2 etapas: humificação biológica e maturação do húmus- Resíduos orgânicos existentes no solo são rapidamente atacados pela macrofauna e microfauna � liberação de açúcares, ácidos orgânicos, aminoácidos, proteínas, peptídeos, celulose, resinas, etc. - Redução da atividade microbiana do solo � liberação de produtos simples (nitratos e sulfatos) e aumento de compostos resistentes a decomposição.
Estrutura SupramolecularEstrutura Macromolecular
SCHULTEN, H.R.; SCHNITZER, M. Soil Science, v. 162, p. 115-130, 1997.SIMPSON, A.J. et al. Naturwissenschaften, v. 89, p. 84-88, 2002.
Cátions metálicosPolissacarídeosPolipeptídiosCadeias alifáticasAromáticos
Matéria Orgânica do Solo
Humificação
FONTE: http://www.todaletra.com.br/tag/sem-sombra-de-duvidas-ou-sem-sobra-de-duvidas/
Caracterização da Matéria Orgânica
���� Química
���� Espectroscópica
[Carbono]Limitado
Transformação Maturação Humificação
Quantificação da Matéria Orgânica
���� Química� Quantificação
Metodologias:� Gravimetria por incineração em mufla;� Termogravimetria;� Cromatografia;� Oxidação por via seca;� Oxidação da matéria orgânica (MO) por via úmida, (destacando-se os métodos preconizados por Schollenberger,Walkley-Black, Walkley-Black modificado).
SEGNINI, A.; SANTOS, L.M.; SILVA, W.T.L.; MARTIN-NETO, L.; BORATO, C.E.; MELO, W.J.; BOLONEZI, D. Química Nova, v. 31, n. 1, p. 94-97, 2008.
Quantificação da Matéria Orgânica
����Metodologia: gravimetria e termogravimetria
Perda de massa do solo por incineração e aquecimento.
< 110oC: água livre ou água de volatilização150-280oC: decomposição da MO270-370oC: oxidação de C da MeO380-530oC: água de constituição de hidróxidos metálicos
Desvantagens: Vantagens: � velocidade analítica não contamina o ambiente� custos �riscos ao analista
Quantificação da Matéria Orgânica
����Metodologia: análise elementar
Foto: Analítica (EUROVECTOR Instruments & Software)
Quantificação da Matéria Orgânica
����Metodologia: análise elementar
Permite a determinação da composição da MOS (C, N, H, O, S).Oxidação da amostra a 1000oCSeparação: cromatográficaDetecção: condutividade térmica
Amostra N2
CO2
H2O SO2
oxidação separação
%N%C%H%S%O = [(100-(C+N+H+S)]%
colunacromatográficaC/N
Determinação Simultânea
Amostras: líquidasgasosas e sólidas
Massa de amostra: 1 mg
Quantificação da Matéria Orgânica
����Metodologia: carbono orgânico total (TOC)
Permite a quantificação do carbono orgânico Carbono Total e Carbono InorgânicoOxidação do carbono a CO2 (900
oC)Separação: cromatográfica
Vantagens:- Rápida- Reprodutível - Quantidade de amostra: � (100 mg) que a análise elementar- Amostras líquidas
a) Concentration of particle size fraction in the soil expressed in % b) Carbon contend of particle size fractions
González Pérez, M.; Milori, D.M.B.P.; Martin-Neto, L.; Colnago, L.A.; Camargo, O.A.; Berton, R.; Bettiol, W. Scientia Agricola, v. 63, n. 3, p. 269-275, 2006.
Quantificação da Matéria Orgânica
Quantificação da Matéria Orgânica
����Metodologia: Walkley-Black
Oxidação do carbono orgânico do solo por íons dicromato, em meio fortemente ácido.
2 Cr2O72-(aq) + 3 C(s) + 16 H
+(aq) � 4 Cr3+(aq) + 3 CO2(g) + 8 H2O(l)
4+
Oxida
0
Reduz
6+ 3+
Quantificação de íons Cr3+ reduzidos: titulação ou colorimetria
carbono orgânico do solo
MOS (g kg-1) = C x 1,724
Fator de van Bemmelenteor de C da MOS = 58%
PROBLEMAS!!!!!!!!
Quantificação da Matéria Orgânica
TOC e Análise Elementar: < desviosTOC, Análise Elementar e Walkley Black: resultados � (22.9 e 17.7%)Termogravimetria: dificuldade entre a distinção de perda de H2O de constituição das argilas e a degradação da MO� valores dispersos
Absorção de Luz Ultravioleta-Visível
200-400 nm (UV)400-800 nm (Visível)
Fonte: http://www.dosage.com.br/Port/F_espectrofotometria.htm
Absorção de Luz Ultravioleta-Visível
�
Razão E4/E6 (465 e 665 nm)
Grau de humificação
Lei de Lambert BeerA = ε b c
Soluções: 10 mg kg-1
2 mg de AH em 10 mL de NaHCO3 0,05 mol L-1
STEVENSON, F. J. Humus Chemistry: genesis, composition, reactions. 2. ed. New York: John Wiley, 1994. 496 p.
Absorção de Luz Ultravioleta-Visível
�
Razão E4/E6 (465 e 665 nm)
Grau de humificação
�Razão E4/E6 : � Massa Molecular e Condensação dos Anéis
STEVENSON, F. J. Humus Chemistry: genesis, composition, reactions. 2. ed. New York: John Wiley, 1994. 496 p.
Limitações UV-Vis
Correlação entre proporção de grupos aromáticos determinados por CP/MAS 13C e relação E4/E6 nas amostras de AH.
A razão E4/E6 está associada aos grupos aromáticos condensados e não com a aromaticidade total das amostras.
SAAB, S.C.; MARTIN-NETO, L. Química Nova, v. 30, p. 260-263, 2007.
Aplicações UV-Vis
Figura 4.6 - Valores da razão E4/E6 obtidos para os ácidos húmicos extraídos do (a) LVefsem e com adição de lodo de esgoto e (b) LVd sem e com adição de lodo de esgoto. As profundidades variam de 0-60 cm onde: P1� 0-10; P2 � 10-20; P3 � 20-40 e P4 � 40-60 cm.
SANTOS, L. M. Dinâmica da matéria orgânica e destino de metais pesados em dois solos submetidos àadição de lodo de esgoto. 2006. 133 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) – Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.
Aplicações UV-Vis Iprodione
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Imazaquin Atrazina Iprodione
Abs
orbâ
ncia
λλλλ (nm)
0 20 40 60 80 100 120
0
20
40
60
80
100 Imazaquin Atrazina Iprodione
Inte
nsid
ade
máx
ima
de a
bsor
bânc
ia (
%)
Tempo de irradiação (min)
Atrazine Imazaquin
Espectro de absorção na região do ultravioleta dos pesticidas (10 mg L-1), em meio aquoso.
Curva de acompanhamento da fotólise de degradação dos pesticidas, em meio aquoso.
GARBIN, J.R. et al. Chemosphere, v. 66, p. 1692-1698, 2007.
Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)
���� Complexação dos íons metálicos paramagnético: (Fe3+,
Cu2+, Mn2+, VO2+, Mo5+, Cr3+ e outros).
Micronutrientes Metais Pesados
�
Fon
te: http://www.iq.usp.br/schreier/epr.htm
l
Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)
Grau de humificaçãoEfeitos de manejos do solo
���� Radicais livres do tipo semiquinona.�
Vantagens:- Amostras: sólida, líquida e gasosa- Análise não destrutiva
Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)���� Íons Paramagnético:
Fe Z = 26 Fe3+ Z = 23
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5
� � � � �
2 elétrons emparelhados: - diamagnéticos- têm campos opostos que se anulam- são repelidos por um ímã
Átomo com pelo menos 1 elétron desemparelhado:- paramagnético - são atraídos levemente por um ímã
Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)���� Íons Paramagnético:
O Z = 8 C Z = 6
1s2 2s2 2p4 1s2 2s2 2p2
� ��� � �
�� �� �� �� �� ��
Aplicações
Bayer, C.; Martin-Neto, L.; Saab, S.C. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 27, n. 3, 2003.
RLO
Aplicações e Limitações RPE
�Argila � Solo
� Areia
SANTOS, L.M. et al., Eclética Química, v. 35, p. 55 - 60, 2010.
Aplicações RPE
FIALHO, L.L. et al. Química Nova, v. 33, p. 364-369, 2010.
(A) Sinais de RLO do composto da L1 em função do tempo de compostagem.
(B) Largura de linha tomada pico a pico (DH) do sinal de RLO dos compostos da L1 (poda de árvore), L2 (poda de árvore + esterco bovino fresco) e L3 (poda de árvore + bagaço de laranja) em função do tempo.
Aplicações RPE
SANTOS, L. M. Dinâmica da matéria orgânica e destino de metais pesados em dois solos submetidos àadição de lodo de esgoto. 2006. 133 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) – Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.
Ressonância Magnética Nuclear (RMN)
Fon
te: w
ww.revolutionn
mr.com
Fonte: www.ucdenver.edu
Fonte: www.ipbs.fr
Ressonância Magnética Nuclear (RMN)
Limitações:
- Anisotropia: interações � alargamento das linhas espectrais� resolução
Alta rotação em torno do ângulo de 54,7ºMAS “Magic Angle Spinning”
- T1 muito longo � polarização cruzada � tempo de análise
CP “Cross Polarization”
CP MAS NMR
Ressonância Magnética Nuclear (RMN)
Espectro de RMN de 13C em estado sólido utilizando a técnica CP-MAS de uma amostra de AH.
SKJEMSTAD, J.O. et al. J. Australian Journal of Experimental Agriculture, v. 38, p. 667-680, 1998.
Aplicações RMN
Alifaticidade = Área C alifático 0-110 ppm x 100% Área C 0-160 ppm
Aromaticidade = Área C aromático 110-160 ppm x 100% Área C 0-160 ppm
Aplicações RMN
Grau de aromaticidade de AHs e COT de um latossolo roxo submetido a diferentes manejos.
MARTIN-NETO, L. et al. Comunicado Técnico: Embrapa. p. 1-5, 1996.
Aplicações RMN
SANTOS, L.M. et al. Circular Técnica: Embrapa, v. 36, p. 1-7, 2006.
LVef LVef + B LVd LVd + B Lodo0
4
8
12
16
20
24
28
Aro
mat
icid
ade
(%)
Amostras
Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)
�
Grupos Funcionais
CarboxílicosHidroxílicosAromáticos Alifáticos
Aplicações FTIR
Vibração CH fora do plano775
Vibração CH fora do plano. Impurezas argilosas.830
Estiramento C–O de polissacarídeos ou derivados de polissacarídeos e Si–O de impurezas silicatadas
1050 e 1040
Estiramento –C-OH de alifáticos OH1170
Estiramento –C-O e deformação OH de –COOH1225
Estiramento –C-O de fenólico1270
Estiramento –COO simétrico e/ou dobramento –CH de alifáticos1350
Deformação –CH de –CH3 e dobramento –CH de –CH21450
Estiramento C=C aromático, deformação N–H e estiramento C=N
de amidas1520-1525
Estiramento C=C aromático e/ou estiramento –COO- assimétrico1610
Estiramento –C=O de –COOH1720
Estiramento OH de H-ligado a –COOH2600
Estiramento CH simétrico2840
Estiramento CH assimétrico2930
Estiramento CH aromático3030
Estiramento OH do grupo fenólico (contribuição de OH alifático, H2O e possivelmente NH)3380
OrigemRegião (cm-1)
Aplicações FTIR
Vibração CH fora do plano775
Vibração CH fora do plano. Impurezas argilosas.830
Estiramento C–O de polissacarídeos ou derivados de polissacarídeos e Si–O de impurezas silicatadas
1050 e 1040
Estiramento –C-OH de alifáticos OH1170
Estiramento –C-O e deformação OH de –COOH1225
Estiramento –C-O de fenólico1270
Estiramento –COO simétrico e/ou dobramento –CH de alifáticos1350
Deformação –CH de –CH3 e dobramento –CH de –CH21450
Estiramento C=C aromático, deformação N–H e estiramento C=N
de amidas1520-1525
Estiramento C=C aromático e/ou estiramento –COO- assimétrico1610
Estiramento –C=O de –COOH1720
Estiramento OH de H-ligado a –COOH2600
Estiramento CH simétrico2840
Estiramento CH assimétrico2930
Estiramento CH aromático3030
Estiramento OH do grupo fenólico (contribuição de OH alifático, H2O e possivelmente NH)3380
OrigemRegião (cm-1)
����Humificação
��
�
��
�
Aplicações FTIR
SANTOS, L.M. et al. Soil Science Society of America Journal. v. 74, 2010.
O-HC-H
C-H
C=O
C-O
Aplicações FTIR
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
R1a
R1b
R2bR2aR4a
R4b
R3b
R3a
R5bR5a
PC
2 (2
,3%
)
PC1 (97,5%)
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
468538
915
1035
1100
1010
142716492927
36203696
número de onda (cm-1)
R4 R1 R2 R3 R5
Espectro de FTIR das amostras de cama de frango, R1, R2, R3 e R4, e esterco bovino, R5.
� EMATER (Coronel Vivida) � Avícola Pato Branco
Aplicações e Limitações FTIR
4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400
número de onda (cm-1)
0-2,5 cm
2,5-5 cm
5-10 cm
10-20 cm
1031
914
540
470
1630
4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400
número de onda (cm-1)
0-2,5 cm
2,5-5 cm
5-10 cm
10-20 cm
1031
914
540
470
16303442
3527
3697
3620
Espectro de FTIR para as amostras de solos nas profundidades de 0-2,5; 2,5-5,0; 5,0-10,0 e 10,0-20,0 cm com a adição de 12 t ha-1 de cama de aviário
Caulinita e Gibsita: Al–OH
Caulinita e Quartzo: Si–O
Fluorescência de Luz Ultravioleta-Visível
Soluções: 10 mg kg-1
2 mg de AH em 10 mL de NaHCO3 0,05 mol L-1
Espectros de Fluorescência:-Emissão-Excitação -Excitação com varredura sincronizada
Fonte: p
ortugues
e.alibaba
.com
Fluorescência de Luz Ultravioleta-Visível
Fenômeno Fluorescência:C=Oaromáticos fenólicosquinonas e/ou sistemas alifáticos conjugados insaturados
Aplicações da Fluorescência
KALBITZ, K.. et al. Biogeochemical, v. 47, p.219-238, 1999.ZSOLNAY, A. et al. Chemosphere, v. 38, p. 45-50, 1999.MILORI, D.M.B.P. et al. Soil Science, v. 167, p.739-749, 2002.
���� Índice de Humificação
Zsolnay: A4/A1 = área de 435-480 nm/ área de 300-445 nmEspectros obtidos de excitação em 240 nm e pH da solução igual a 2,0.
Milori: A465 = área total sobre o espectro de fluorescênciaComprimento de onda azul (465 nm) como fonte de excitação.
Kalbitz, Geyer e Geyer: I400/I360 = razão entre as intensidades de fluorescência em 400 e 360 nm, ou 470 e 360 nm
Modo de excitação com varredura sincronizada.
Aplicações da Fluorescência
350 400 450 500 550 600 650
0
50
100
150
200
A4
A1
campo nativo plantio direto manejo convencional
Inte
nsid
ade
(u.a
.)
λ (nm)
300 350 400 450 500 550
0
50
100
150
200
250
300
λ465
λ399
campo nativo plantio direto manejo convecional
Inte
nsid
ade
(u.a
.)
λ (nm)
200 250 300 350 400 450 5000
50
100
150
200
250
300
λ465
campo nativo plantio direto manejo convencional
Inte
nsid
ade
(u.a
.)
λ (nm)
450 500 550 600 650
0
50
100
150
200
250
300 campo nativo plantio direto manejo convencional
Inte
nsid
ade
(u.a
.)λ (nm)
KALBITZ, K.. et al. Biogeochemical, v. 47, p.219-238, 1999.ZSOLNAY, A. et al. Chemosphere, v. 38, p. 45-50, 1999.MILORI, D.M.B.P. et al. Soil Science, v. 167, p.739-749, 2002.
Aplicações da Fluorescência
SANTOS, L.M. et al. Soil Science Society of America Journal, v. 74, 2010.
Fluorescência Induzida por Laser (FIL)
400 450 500 550 600 650 700
0
1
2
3
Solo natural Solo calcinado (600°C)
Inte
nsid
ade
(u.a
.)
λ (nm )
MILORI, D.M.B.P. et al. Soil Science Society of America Jornal, v. 70, p.57-63, 2006.
Foto: Milori
Fluorescência Induzida por Laser (FIL)
1
9
osciloscópio
11 12Fonte-800 V
amostra
2
3
5
67
8
4
10
1- Laser de argônio2- Prisma 3,4,5- Espelhos planos6- Lente convergente7- Modulador8- Filtro9- Monocromador10- Fotomultiplicadora11- Amplificador Lock-in12- Sistema de aquisição
Aplicações FIL
GONZÁLEZ-PÉREZ, M. et al. Geoderma, v. 138, p. 20-24, 2007.SANTOS, L.M. et al. Soil Science Society of America Journal, v. 74, 2010.
SI: Sem irrigação, sem dose de fertilização nitrogenada mineral;100: irrigação com EET e umidade do solo na capacidade de campo;125: irrigação com EET e umidade do solo 25% (v/v) acima da capacidade de campo;150: irrigação com EET e umidade do solo 50% (v/v) acima da capacidade de campo;200: irrigação com EET e umidade do solo 100% (v/v) acima da capacidade de campo.
Aplicações FIL
Caracterização da MOS ����HUMIFICAÇÃOComposição Orgânica
Caracterização da MOS ���� Composição Inorgânica
1. Espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS)2. Espectrometria de Absorção Atômica3. Espectrometria de Emissão Atômica
Espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS)
Vantagens ≠≠≠≠ Desvantagens
Preparo da Amostra
Sensibilidade Analítica
Rapidez
Reprodutibilidade
Aplicações LIBS
FERREIRA, E.C.; MILORI, D.M.B.P.; FERREIRA, E.J. SANTOS, L.M.; MARTIN-NETO, L.; NOGUEIRA, A.R.A. Talanta, v. 85, p. 435–440, 2011.
Espectrometria de Absorção Atômica (AAS)
M + hv � M*
Átomos gasososexcitados
Radiação eletromagnéticacaracterística
Átomos gasososno estado fundamental
M + hv � M*
Átomos gasososexcitados
Radiação eletromagnéticacaracterística
Átomos gasososno estado fundamental
Espectrometria de Emissão Atômica (OES)
Extração sequencial/Fracionamento químico:
é a determinação das dos teores de cada elemento ligado as diferentes frações da amostra.
Mobilidade
Biodisponibilidade
Acumulação
Propriedades toxicológicas
Formas químicas
Caracterização + Quantificação
1. Fase trocável/ solúvel
2. Ligada a carbonatos
3. Ligada a óxidos de Mn e Fe
4. Ligada a matéria orgânica
5. Residual
TESSIER, A.; CAMPBELL, P.G.C. & BISSON, M. Sequential extraction procedure for the speciationof particulate trace metals. Anal. Chem., 51:844-851, 1979.
1. Fase solúvel/ trocável
2. Adsorvida na superfície
3. Ligada a matéria orgânica
4. Ligada a óxidos de Mn
5. Ligada a óxidos de Fe (amorfo)
6. Ligada a óxidos de Fe (cristalino)
7. Residual
Silveira, M.L.; Alleoni, L.R.F.; O’Connor, G.A.; Chang, A.C. Chemosphere, 64, 1929–1938, 2006.
Aplicações AAS
���� Ba ���� Cr
63% AF1
54% AF1
53% AF1
74% AF1
77% Humina
64% Humina
68% Humina
66% Humina
SANTOS, L.M. Tese de Doutorado. UFSCar-SP, 2010.
Trabalhos em desenvolvimento:
� Dr. Sergio Saab (UEPG)PD x Mata x PCPousio x PD x Mata
� Dra. Tangriani S. Assmann (UTFPR - Campus Pato Branco)Integração lavoura
� SANEPAR, EMATER, Prefeitura Municipal de Coronel Vivida, IAPARFossa Biodigestora e Zona de Raízes
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