UNICAMP 2018

Ecologia IsotópicaCENA – USP

Plínio Camargo pcamargo@cena.usp.br

Átomos com mesmo número de prótons (número atômico, Z) e diferente

número de nêutrons (N), ou seja, elementos com massas atômicas

diferentes: (A = Z+N).

Chamados de estáveis quando não emitem radiação -seja em forma de

energia ou partículas subatômicas.

O que são isótopos?

Exemplo clássico: elemento hidrogênio

Hidrogênio Deutério Tritium

1 nêutron 2 nêutrons(não é estável)

Ishida, 2007

Exemplos de isótopos estáveis com particular interesse em estudo ligados à processos ambientais:

Carbono 12C Carbono 13C

Nitrogênio 15N

6 prótons6 nêutrons

6 prótons7 nêutrons

Nitrogênio 14N

7 prótons7 nêutrons 7 prótons

8 nêutrons

Ishida, 2007

Abundância média dos elementos mais utilizados em estudos ambientais

Elemento Isótopo Abundância

Hidrogênio 1H 98.98D 0.02

Carbono 12C 98.8913C 1.11

Nitrogênio 14N 99.3415N 0.37

Oxigênio 16O 99.7617O 0.03718O 0.199

Enxofre 32S 95.0234S 4.21

Ishida, 2007

Conceitos importantes:

1- Razão isotópica (R) – relação entre o isótopo mais raro(pesado) /mais abundante (leve).

HD

OO

NN

CC

levepesado

abundanteraroR ====== 16

18

14

15

12

13

Mudança isotópica fenômeno altera a relação R

13

12

mais pesado= mais “lento”nas reações físico-químicas.

Logo, o R do produtodeve apresentar valor distinto

do R do substrato

Ex: carbono

Ishida, 2007

Onde são analisadas as amostras?

Espectrômetro de massas:

“ioniza as moléculas gasosas e separa os íons em espectros de acordo com a razão massa/carga

(A/Z)”

Ishida, 2007

(1)

1. Fonte de ionização 2. Analisador 3. Feixes iônicos de diferentes massas

(correntes elétricas amplificadas e registradas)

4. Computador-

+

+

+

12C16O16O massa 44

13C16O16O massa 45

12C18O16O massa 46

++

+(3)

(2)

+

Alto vácuo

capilar

Balões p/ padrão Balões p/ amostraspreparadas off-line

Alto vácuo

vácuo

(4)

Ishida, 2007

Visão do interior do

espectrômetro

Ishida, 2007

LEI-CENA/USP

Ishida-2006

2- Fracionamento isotópico:

O fator de fracionamento (a), é definido pela relação entre a razão isotópica do substrato e a

do produto

produto

substrato

RR=a

Ishida, 2007

Geralmente com valores próximos `a unidadeExemplo: 1,007; 0,998; 1,029

Fracionamento isotópico está associado a dois processos:

a) Fracionamento termodinâmico: ocorre em situações deequilíbrio químico e varia em função da temperatura.ex: equilíbrio isotópico do oxigênio (equilíbrio de fase daágua líquida e o vapor)

b) Fracionamento cinético: geralmente associado aprocessos biológicos e físicos. ex: CO2 é fracionado aose difundir do ar (via estômatos) até ao interior dostecidos vegetais. Poro estomático

Ishida, 2007

O bicarbonato nos oceanos têm um valor de δ13C variando entre 0 e 2‰, portanto podemos dizer que o CO2 atmosférico fica empobrecido em 13C em relação ao bicarbonato. Este é um exemplo clássico de fracionamento termodinâmico, onde devido às ligações atômicas o bicarbonato retém mais 13C que o CO2 atmosférico.

Ishida, 2007

3- Fator de enriquecimento (e) ou Discriminação isotópica (∆) :

ØÉ o fracionamento isotópico subtraído da unidade:

e = dsubstrato+1dproduto+1

-1

e = dsubstrato - dprodutodproduto+1

aproximadamente = 1, ou seja:

∆ = e= dsubstrato-dprodutoIshida, 2007

e = a -1

4- Notação “d” (delta)

As alterações na composição isotópica absoluta de umdeterminado composto são geralmente ínfimas, dificultandobastante sua determinação. Para simplificar, utiliza-se odesvio da razão R com relação àquela de um padrão. Anotação d é expressa da seguinte maneira:

1-=-

=padrão

amostra

padrão

padrãoamostra

RR

RRR

δ

Ishida, 2007

Padrão Elemento R

Pee dee Belamnitela (PDB) CO

13C/12C = 0,011237218O/16O = 0,0020671

Nitrogênio atmosférico N 15N/14N = 0,0036765

Vienna Standard Mean Ocean Water (V-SMOW)

HO

D/H = 0,0001557618O/16O = 0,00200520

Padrões utilizados

Exemplo: Uma determinada amostra de carbono tem a seguinte razão isotópica (R):

Ramostra = 0,0110740Ishida, 2007

Como os valores da notação δ são numericamentepequenos, convencionou-se que resultado deverá sermultiplicado por 1000, passando então:

δ = - 14.52 ‰ (por mil)

1-=padrãoamostraRRδ

Teremos o seguinte valor δ:

Lembrando a fórmula:

δ = 10,0110740

0,01123720145230 ,-=-

Ishida, 2007

Ex:Qual é a discriminação isotópica de um sistema onde o substrato tem um d13C= -8 ‰ e o produto = -27,5 ‰?

∆ = e= dsubstrato - dprodutodproduto+1

∆ = e= -0,008 – (-0,0275)-0,0275+1

* 1000

∆= e= 20,05‰

Ishida, 2007

5- Diluição Isotópica/ modelo de mistura

A + B = P, multiplicando-se cada membro pelo respectivo d:

(A.dA) + (B.dB) = dP, substituindo-se teremos:

BA

BPAdddd

--

=

Imagine um produto (P) formado por dois substratos/fontes (A e B)/”ingredientes”

+ =

Ishida, 2007

Ex:Conversão

(10 anos)

floresta pastagem

dCA= -27‰ dCB= -12‰

=

matéria org. do solo

dCprod=-21‰

(mistura da floresta+pastagem)- Qual a contribuição de cada fonte???

BA

BPAdddd

--

= =-21-(-12)

-27-(-12)= 0,6 60%

A= 60%

B= 40%

Ishida, 2007

Porque usar isótopos estáveis em estudos ambientais?

1. Os isótopos identificam o elemento de interesse além de possuírem características físicas e químicas apenas levemente diferenciadas.

2. A concentração do isótopo mais raro é muito pequena, sendo que mudanças nestas concentrações não mudam as propriedades do sistema.

3. A composição isotópica varia de forma previsível

conforme o elemento cicla pela biosferaIshida, 2007

SOLOS e detritos 1580 -2190

VEGETAÇÃO470-655

OCEANOS40.000ROCHAS

65 500 000

ATMOSFERA750

Valores em Pg (1015g) ou bilhões de t de C

Ciclo do carbono global

PPB e R= 60

61,4

Mudan

ças u

so da

terr

a

1,6

0,5

90

92

Combustível fóssil e

produção de cimento

5,5

Concentração e razõesisotópicas do oxigênio ecarbono do CO2 atmosféricona região de Barrow, Alaska,entre os anos de 1990 e2000.

(anos)

(anos)

Queima de combustível fóssil

Mudanças no uso da terraEm

issã

o an

ual p

/ atm

osfe

ra (P

g C

)

Emissão anual de C para aatmosferapor ações antrópicas.

Vegetação

• PlantasC4Plantas C3

Plantas CAM

Não vamos estudar

Célula mesofilocloroplastos

Estômatos

Células da bainha

O fracionamento durante o processo de fotossíntese das C3 e C4, determinam o sinal isotópico do produto final

d13Cfolha = d13Ca - a - (b - a) • ci/ca

4,4 ‰ 27,5 ‰ (0,4 – 0,9)-8 a -14 ‰* Valores calculados

EQUAÇÃO de Farqhuar

Ishida-2006

Ci

Ca

CO2

d13C (‰)

Freq

uênc

ia d

e es

péci

es

-30 a -25‰ -15 a -12‰

C4

C3

Composição isotópica do solo

-12

-14

-16

-18

-20

-22

-24

-26

-28

-30

-32

d13 C

(‰)

0 100 200 300 400 500 600 800 1000

Vegetação C4

Vegetação C3

Distância dos transectos (m)

gramíneas transição floresta

* O solo tende a ter uma composição isotópica similar a cobertura vegetal

presente

Ishida-2006

Frasco com AR

Analisador GashoundC

concentração em campo

Sistema da Câmara

Ishida-2006

Folhasδ13Cfolha

Ishida-2006

d13Ce

co

Fluxo de CO2 e d13C

Fluxo de CO2 e d13C

Fluxo de CO2 e d13C

Fluxo de CO2 e d13C

Fluxo de CO2 e d13C

Fluxo de CO2

Ishida-2006

UVas = -28 o/oo Cana de açúcar = -12 o/oo

Vinho = -27o/oo

Cachaça = -11o/oo

Fermentação

?

Valores de d13C de amostras de uva, mosto, vinho padrão eleaborado pela Embrapa e vinhos nacionais agrupados conforme o tipo do vinho.

d13C (‰)

Média Desv.-pad. N

Uva -26.7 0.6 11

Mosto -27.8 0.4 10

Vinho padrãoEmbrapa

-27.5 0.6 12

Tinto seco -23.4 2.0 109

Tinto demi-sec -23.7 1.1 11

Tinto suave -23.5 1.5 21

Branco seco -22.3 2.1 39

Branco demi-sec -21.3 2.9 10

Branco suave -21.5 2.3 40

Rose suave -21.2 2.9 10

Espumante Brut -20.5 1.2 18

Espumante Asti -19.4 2.9 4

Espumante Demi-sec -18.3 1.3 8

Espumante Doce -15.1 2.1 3

d13C (o/oo)

Núm

ero

de o

bser

vaçõ

es

Eu ro pa

-29 -27 -25 -23 -21 -19 -17 -15 -1302468

101214161820222426

Canadá

-29 -27 -25 -23 -21 -19 -17 -15 -13

EUA

-29 -27 -25 -23 -21 -19 -17 -15 -1302468

101214161820222426

Brasil

-29 -27 -25 -23 -21 -19 -17 -15 -13

Distribuição de valores de δ13C de amostras de cervejas produzidas em países da Europa, no Canadá, Estados Unidos e Brasil. Adaptado por Brooks et al. (2003).

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0Brandy

internacionalBrandy nacional Conhaque-de-

gengibre

d13C

(o / oo)

Média e desvio padrão dos valores de δ13C de amostras de brandies elaborados em outros países

(internacional) e no país (nacional) e de amostras de conhaque de gengibre.

O mel vem das plantas C3

O que vem da cana de açúcar (C4) não é mel

X(mas muita gente vende como se fosse...)

amostras

d13 C

(‰)

-14-15-16-17-18-19-20-21-22-23-24-25

Maioria das amostras eram de origem C4

Poucas amostras eram mel puro....

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

-22 -20 -18 -16 -14

d13C (o/oo)

d15

N (o / o

o)

Americanos

Brasileiros do sudeste

Santarém-PAFlona

Santarém-PAvárzea

C4 PLANTSC3 PLANTS

++ proteína animal

-- proteína animal