Desenvolvimento de metodologias de digestão e análise de metais em microalgas por absorção atômica de alta resolução com fonte continua por chama

ISBN 978-85-85905-15-6

Área

Química Analítica

Autores

Kling, D.P. (TPQB) ; Medeiros, J.A. (UFRJ) ; Freita, S.P. (TPQB)

Resumo

Neste trabalho foram desenvolvidos 2 processos de digestão de uma microalga e um método para determinação sequencial por HR-CS-FAAS de metais da microalga Monoraphidium SP. Sendo avaliados: Na, K, Mg, Ca, Cu, Fe e Zn. A validação dos métodos foi realizada pelo estabelecimento de curvas de calibração,ensaios de recuperação e comparação dos resultados entre os dois métodos de digestão. Padrões aquosos foram utilizados para a calibração e o coeficiente de correlação encontrado foram maiores que 0,98. A partir das curvas de calibração os limites de detecção foram calculados para cada elemento variando entre 4,4-30 μg.L-1 para os diversos metais. Obtemos taxa de recuperação de 100±4% para a 1ª metodologia e taxas de recuperação para a 2ª metodologia entre 91 e 119%, exceto para Ca

Palavras chaves

absorção atômica; microalga; analise mineral

Introdução

A crescente demanda mundial de combustíveis fóssil incentivou os debates para implementação de políticas ambientais relacionadas às mudanças climáticas, poluição do ar, destruição do ecossistema e desafios a segurança nacional que está relacionado com a produção de petróleo, reforçando a necessidade de desenvolvimento de combustíveis alternativos com menor impacto ambiental tal como o biodiesel e o bioetanol. A matéria-prima para produção de biodiesel é proveniente da agroindústria de óleos de vegetais, fator este que impede um grande aumento na sua oferta, pois ocorre uma competição entre os setores agroindustrial e de energia. Com isso, a produção de biodiesel por esta rota não será capaz de substituir uma fração significativa de combustíveis fósseis. Neste cenário a microalga vem recebendo cada vez mais atenção para produção de biocombustíveis. As estimativas de sua produtividade, em cerca de 10 vezes maior do que o de culturas convencionais, contribui para torná-las a fonte mais promissora para a produção de biomassa. A produção de biodiesel utilizando microalgas depende principalmente da capacidade de produção de lipídeos, o qual é afetado por diversos fatores ambientais como luminosidade, temperatura, salinidade, concentração de CO2 e em especial pelos nutrientes. Os nutrientes utilizados no cultivo das microalgas são os principais fatores que interferem no desenvolvimento do cultivo. Por serem os reguladores dos metabolismos, a ausência ou o excesso de algum nutriente altera de maneira significativa os resultados obtidos. O perfil e a concentração mineral na microalga fresca define o perfil e concentração destes micronutrientes na torta ou no farelo resultante da extração do óleo. A determinação da concentração mineral pode ser usada como uma ferramenta de diagnóstico do processo de cultivo e na identificação da existência de alguma contaminação por metais tóxicos os quais podem interferir no desenvolvimento da microalga. A obtenção desses dados pode, consequentemente, auxiliar na redução de custos de produção tornando a produção de biodiesel mais viável economicamente. Por estes fatores acima citados, o desenvolvimento de novas metodologias de pré tratamento e análise da concentração mineral devem ser avaliadas e implementadas.

Material e métodos

Preparação de soluções Na preparação das soluções feitas partindo do elemento em forma metálica foram feitos em meio de HCl 1 mol/L e os demais em HCl 0,5 mol/L. Padrão feito a partir de suas formas metálicas: Zn, Cu, Fe, Ni. Padrão feito a partir do sal de carbonato anidro: Na, K, Ca. Padrão feito a partir de ampola (MECK): Mg Outras soluções: NH4Cl 1,5 M e HNO3 10%(ultra puro) Condições espectrométricas As determinações foram realizadas em chama de acetileno-ar, utilizando queimador de 50 mm com ângulo de 0º em relação ao feixe de luz. Foram utilizados os comprimentos de onda de maior sensibilidade para Ca, Fe, Zn e Mn, para Na e K utilizou-se os λ 50% de intensidade relativa(Ir) e para Mg o λ de 4,3% de Ir. Com relação a utilização dos pixels do detector, todos os metais foram medidos com 3 pixels com exceção do Mg que utilizou apenas o pixel central. Para cada determinação realizou-se 6 medidas de absorbância com o tempo de integração de 3s e com uma taxa de aspiração da solução de aproximadamente 6 ml/min. Digestão da amostra Metodologia AOAC 90 adaptada 1º- pesa-se 100,0 e 300,0 mg em um Becker; 2º- Adiciona-se 1 ml HNO3 e 0,5 ml HClO4, coloca-se o condensador de refluxo no Becker e deixe em repouso por 4hrs; 3º- Após o repouso, leva-se ao aquecimento de 80ºC, deixando pernoitar nesta temperatura; 4º- Na manhã seguinte, retira-se da chapa de aquecimento. Após esfriar, adiciona-se gota a gota 0,1ml de H2O2, retorna-se com o Becker para a chapa de aquecimento a 100ºC; 5º- Repita o 4º item de tempo em tempo até não ser mais observado o desprendimento do gás NOx e/ou toda solução e a microalga estiverem incolor; 6º-Rinsa-se o condensador de refluxo no Becker; 7º-Na chapa de aquecimento deixa-se a solução evaporar a 120ºC; 8º após a eliminação da solução, eleva-se a temperatura para 200ºC e elimine excesso de ácido; 9º- Transfere-se a solução para um balão volumétrico, adicionando 10% do volume do balão da solução de 10% HNO3up e avolume. Metodologia alternativa 1º- pesa-se entre 100,0 e 300,0mg no tubo; 2º- Adiciona-se 3mL H2O2; 3º- após 3-5 minutos adiciona-se 2 mL HNO3 e em seguida fecha-se o tubo; 4º- leva-se ao aquecimento de 100ºC em banho Maria, deixando reagir por 2-3 horas até mudança de coloração da microalga; 5º- Retira-se do aquecimento e realiza-se a lavagem do tubo antes da etapa 6; 6º- Transfere-se a solução para um balão volumétrico, adicionando 10% do volume do balão da solução de 10% HNO3up e avolume.

Resultado e discussão

Todo o desenvolvimento discutido a seguir foram realizados simultaneamente. Sendo assim a determinação das concentrações de cada analito não foi possível até o completo desenvolvimento da metodologia de pré-tratamento e de análise Metodologia adaptada Com o objetivo de verificar a reprodutibilidade desta metodologia, realizou dois ensaios de digestão independentes, sendo na 1ª sequencia digerida 5 amostras e na 2ª a digestão de 6 amostras. Após a realização do procedimento, realizou a determinação de Na, K, Ca, Mg, Fe, Zn, Cu e Mn e em seguida o teste t de student, os resultados encontram-se na Tabela 1 abaixo Tabela 1 Teste de Reprotutibilidade da metodologia adaptada Analito Ensaio 11 Ensaio 22 valor p Na 9,54 9,17 0,09 K 6,94 6,26 0,09 Ca 1,01 1,00 0,08 Mg 28,18 28,92 0,20 Fe 0,195 0,188 0,01 Zn 0,134 0,139 0,07 Cu 0,016 0,016 0,60 Mn 0,028 0,031 0,22 1media do resultado da analise de 5 amostras em ABS/g 2media do resultado da analise de 6 amostras em ABS/g A verificação da reprodutibilidade da metodologia deu-se pela comparação do valor-p com o valor de α pré estabelecido (α=0,05). Após a analise do valor-p obtido para os metais determinados podemos inferir que não existe diferença significativa entre os dois ensaios, sendo exceção o Fe. Erros Sistemáticos Com o objetivo de averiguar a existência de alguma fonte de erro sistemático que não foi contemplada anteriormente, realizamos o teste de recuperação de um analito com concentração vestigial, sendo escolhido o Cd devido sua concentração estar próximo do LOD da técnica (8μg/L) e assim não gerando interferência significativa nos resultados. A realização do teste deu-se pela adição de uma solução padrão que resultou em 1 ppm de concentração final. As análises foram realizadas na linha mais sensível do cadmio (228nm), com 6 leituras de 3s por amostra. O resultado das 60 leituras é representado na figura em anexo. Como podemos constatar pela figura 1 em anexo, os resultados permaneceram dentro do limite de 2σ, dado este que indica um baixo nível de erro aleatório e alta precisão da técnica de abertura e do equipamento. Pela análise do intervalo de confiança obteve-se um valor de concentração de 1,00 ± 0,04 ppm de cadmio podendo inferir que os resultados representam uma recuperação de 100% de cadmio, demostrando assim a ausência de erros sistemáticos na execução da metodologia. Metodologia alternativa Após realização das mudanças necessárias para realização da digestão em vaso fechado, analisou-se os metais Na, K, Mg, Fe e Zn para verificar se abertura foi capaz de extrair os metais de forma reprodutiva, os resultados são mostrados abaixo. Na K Mg Fe Zn Media 0,071 0,045 4,0 0,194 0,120 Desvio padrão 0,005 0,004 0,6 0,007 0,003 RSD(%) 7,2 8,3 15,7 3,4 2,3 *média de 4 ensaios em ABS/g de amostra Com a obtenção de um baixo valor de RSD, podemos concluir que a metodologia é reprodutiva e precisa. Para determinarmos se a extração realizada por esta metodologia ocorre de forma quantitativa, realizamos a digestão de 12, sendo separadas em 2 grupos, onde um dos grupos recebeu a adição de 10% do volume do balão volumétrico de uma solução de 10% HNO3 (Grupo 2) e o outro grupo não (Grupo 3), estes dois grupos foram comparados com o resultado da analise de 10 amostras digeridas pela metodologia adaptada (Grupo1). Analito Grupo 1* Grupo 2* Grupo 3* valor p Na 4,66 4,90 4,92 0,21 K 4,84a 4,99a,b 4,13a,c 0,01 Mg 4,86a 4,62a 5,45b 0,01 Fe 0,41a 0,40a 0,28b <0,05 Zn 0,12a 0,13a 0,09b 0,003 *média dos resultados das amostras, dados em ABS/g As médias seguidas de pelo menos uma mesma letra, na linha, não diferem entre si pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade. Como o visto na tabela acima, o teste anova identificou diferença significativa em 4 dos 5 metais analisados, sendo realizado o teste de Tukey nos resultados desses 4 metais. Os metais analisados por Tukey não apresentaram diferenças significativas entre os grupos 1 e 2, indicando assim que a não digestão completa da amostra não apresenta alteração significativa na determinação dos mesmos. No entanto de 3 dos 4 metais testados apresentaram diferenças significativas entre os grupos 1 e 3, indicando que a não adição de HNO3 altera significativamente os resultados obtidos. De acordo com os resultados obtidos, podemos inferir que as metodologias adaptada e a alternativa apresentam mesmo nível de exatidão na obtenção dos resultados. Teste de Recuperação GGeralmente são aceitos valores de recuperação para analises de metais na faixa de ±20%, sendo realizado em triplicata e avaliado a recuperação média de cada analito individualmente. Neste teste utilizamos as equações abaixo para o cálculo de recuperação. TR=100 C_analisada/C_esperada C_esperada=C_analito+C_adicionada A solução adicionada não possui magnésio devido a dificuldades técnica da construção de uma solução multi elementar a qual contemple a concentração necessária para a construção da curva analítica para metais na mesma faixa de concentração do magnésio nesta amostra, concentração superior a 1000 ppm. Analito Rec. Média (%) Na 112,1 K 104,7 Ca 250,3 Fe 99,6 Zn 119,8 Cu 91,1 A metodologia alternativa apresentou taxas de recuperação satisfatória para todos os analitos, sendo o Cálcio a exceção, apresentando uma taxa de recuperação acima dos 200%. Valor este que pode ter sido causado devido a não digestão completa da microalga e como o cálcio apresenta função estrutural na microalga, encontrando-se mais fortemente ligado , não sendo extraído para solução. Devido à taxa de recuperação fora da faixa aceitável, o cálcio não pode ter sua concentração determinada de forma quantitativa, sendo assim excluído da metodologia alternativa. Analise do teor mineral da microalga Após ter finalizado todo o desenvolvimento das metodologias de pré tratamento da amostra e da metodologia de análise, preparamos as soluções padrões que contivessem a concentração da microalga e realizamos a determinação dos metais utilizando os dois procedimentos de digestão. Os resultados obtidos são mostrados na figura 2 em anexo Metodologia adaptada Metodologia Alternativa Analito Concentração (mg/g) Desvio Padrão RSD(%) Concentração (mg/g) Desvio Padrão RSD(%) Na 3,82 0,092 2,4 4,45 0,079 1,8 K 9,2 0,20 2,2 9,5 0,12 1,3 Ca 1,6 0,14 8,7 Mg 55 1,6 2,8 60 2,4 4,1 Fe 2,47 0,017 0,7 2,53 0,056 2,2 Zn 0,077 0,0030 3,8 0,087 0,0043 5,0 Cu 0,044 0,0029 6,5 0,044 0,0030 6,7 * Concentração obtida pela media de 6 amostras Foi possível a determinação da concentração de todos os metais objetivados, com exceção do manganês devido a concentração ser inferior ao limite de detecção da curva analítica construída, sendo alcançado um bom nível de precisão para todos os metais determinados. Os limites de detecção obtidos para cada elemento foram: 5,5 μg/L para Na, 85 μg/L para K, 3,5 μg/L para Ca, 15 μg/L para Fe, 8 μg/L para Zn, 14 μg/L para Cu e 30 μg/L para Mn

Teste de recuperação de Cádmio


Resultado da determinação da concentração mineral na microalga Monoraphidium sp utilizando as metodologias desenvolvidas

Conclusões

Os métodos desenvolvidos para determinação dos analitos Na, K, Mg, Ca, Cu, Fe, Zn e Mn em uma amostra de microalga da espécie Monoraphidium sp. utilizando a técnica de HR-CS-FAAS mostrou-se precisa e mais rápida que a metodologia descrita na literatura. Foram determinado a concentração dos analitos propostos, sendo obtido as concentrações: 2,3±0,2 e 3,0±0,2 mg/L para Na; 6,3 ±0,4 e 6,2±0,6 mg/L para K; 2,50±0,08 mg/L para Ca; 59±2 mg/L e 67±5 para Mg; 2,03±0,09 e 2,0±0,1 mg/L para Fe; 0,06±0,001 e 0,8±0,02 mg/L para Zn; Cu 0,047 ± 0,005 e 0,046±0,005mg/L para Cu, para a metodologia adaptada e metodologia alternativa respectivamente. Em ambas metodologias, a concentração de Mn ficou abaixo do limite de detecção e o Ca não pode ser determinado pela metodologia adaptada

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro.

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