SUBPROJETO Determinação de contaminantes emergentes em águas do rio São Mateus-ES

Universidade Federal do Espírito Santo Programa Institucional de Iniciação Científica

Subprojeto de Iniciação Científica Edital: Título do Subprojeto: Candidato a Orientador: Candidato a Bolsista:

Edital PIBIC 2015/2016 Determinação de contaminantes emergentes em águas do rio São Mateus-ES: teste de novo sorvente de extração e avaliação da ocorrência Prof. Dr. Aloísio José Bueno Cotta Samara Oliveira Sacht

Resumo: Os métodos de monitoramento ambiental para contaminantes emergentes, geralmente requerem uma etapa de preparação das amostras, no intuito de isolar/concentrar os analitos de interesse. Para tal, a técnica de extração em fase sólida é a mais utilizada antes das determinações cromatográficas. Esta pesquisa concentra-se no desenvolvimento de método analítico para o monitoramento da presença e medição das concentrações de dois contaminantes de ampla ocorrência, o estrogênio 17β-estradiol e a cafeína. Em particular, esta investigação fará o comparativo entre uma metodologia já estabelecida e que emprega um sorvente comercial para a retenção dos compostos e de um novo sorvente, Si(PDAS), recentemente preparado por imobilização térmica de um polissiloxano de cadeia carbônica longa (C18 ou C16) intercalada com uma cadeia carbônica curta (C1), resultando uma menor hidrofobicidade, e portanto menor retenção de compostos mais hidrofóbicos. Adicionalmente, amostras tomadas mensalmente em dois pontos do rio São Mateus serão caracterizadas e seus dados usados na avaliação dos impactos da cidade de São Mateus sobre a qualidade das águas. Palavras chave: Contaminantes emergentes, extração em fase sólida, rio São Mateus e cromatografia líquida.

1 Introdução Os efluentes urbanos são um dos principais causadores de poluição e contaminação de rios e mananciais de água doce, com sérios efeitos sobre a qualidade das águas (REBOUÇAS et al. 1999). Devido a falta de saneamento básico, questões como a disseminação de patógenos e poluição por esgoto doméstico são de ampla ocorrência. Além destes, podem contribuir para o comprometimento da qualidade das águas de abastecimento, os chamados contaminantes emergentes, os quais mesmo em baixas concentrações (ng/L a pg/L) causam efeitos nocivos ao ecossistema aquático e expõem, ao longo da bacia hidrográfica, a as populações que se valem desde recurso hídrico (SODRE et al. 2010). Apesar disso, ainda são poucos os estudos dedicados a ocorrência de contaminantes emergentes em águas brasileiras. A cidade de São Mateus-ES tem como principal manancial de abastecimento o rio São Mateus, o qual é desde as suas nascentes usado como receptor dos efluentes urbanos gerados por mais de 400 mil pessoas das mais de 20 cidades distribuídas ao longo de sua bacia hidrográfica. Como exemplo, cita-se, a cidade de São Mateus-ES, a qual não dispõe de estação de tratamento de esgoto (ETE), e por isso, simplesmente lança seus efluentes no rio. Vale frisar que, apenas poucos quilômetros após o rio receber a maior parte dos despejos urbanos, este têm suas águas captadas para abastecimento das residências do bairro de Guriri (São Mateus-ES), com cerca de 12 mil habitantes (VARGAS e COTTA 2013). Atualmente a qualidade das águas do rio São Mateus é monitorada dentro no âmbito do projeto: "Caracterização hidroquímica e avaliação da qualidade da água do Rio São Mateus, São Mateus-ES", coordenado pelo Professor Dr. Aloísio J. B. Cotta (CEUNES-UFES), proponente deste subprojeto. Neste

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contexto, o monitoramento de diversos parâmetros e substâncias químicas, - inclusive os contaminantes emergentes -, se faz necessário nessas águas. Entre os contaminantes emergentes mais comuns, estão os fármacos com função anticoncepcional e analgésica e antibiótica. Estes ocorrem mesmo nos efluentes líquidos das ETE, umas vez que os métodos tradicionais de tratamento são pouco eficazes na remoção destes compostos (CARDOSO, 2011). O termo "contaminante emergente" refere-se a qualquer composto químico originalmente presente em medicamentos, produtos de uso veterinário, embalagens de alimentos, produtos de higiene pessoal, em defensivos agrícolas e agropecuários, etc., que não são usualmente monitorados por ainda não possuírem legislação regulatória específica, mas que apresentam risco potencial à saúde humana e ao meio ambiente (SILVA et al. 2011). Segundo CHISELLI et al (2007), alguns deles se comportam como “disruptores endócrinos”, e por isso, são capazes de comprometer o funcionamento do sistema endócrino, interferindo na síntese, secreção, transporte, ação ou eliminação dos hormônios, que são responsáveis pela manutenção da homeostase, reprodução, desenvolvimento e/ou comportamento. Em alguns casos, a presença de contaminantes emergentes já foi correlacionada com a incidência de câncer, à alterações no sistema imunológico e reprodutivo de organismos e outros efeitos secundários (UEDA et al. 2012). Dentre esses compostos classificados como interferentes endócrinos, os estrogênios são os de maior ocorrência e são de grande interesse no monitoramento ambiental. SODRÉ et al (2007) constataram que o estrogênio 17β-estradiol e a cafeína estavam entre os cincos compostos de maior frequência e concentração, entre as amostras coletadas nos mananciais da região metropolitana de Campinas-SP. O 17β-estradiol é um estrogênio natural que faz parte de um grupo de hormônios esteroides lipossolúveis originados a partir do colesterol ou da acetil coenzima-A. Este, é um dos principais hormônios produzidos no corpo humano, exercendo papel fundamental no controle do ciclo menstrual em conjunto com a progesterona. Sua presença em águas naturais é um forte indício do descarte de esgoto doméstico. Já a cafeína é reconhecida como importante traçador da contaminação por substâncias antropogênicas (CANELA et al. 2014) Desta forma, o desenvolvimento de métodos de análise, suficientemente sensíveis e confiáveis, para a identificação e monitoramento destes contaminantes em águas de abastecimento se faz necessário. O

método analítico mais empregado combina a técnica de extração em fase sólida, seguida da

determinação por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). A extração em fase sólida (SPE, do inglês solid phase extraction) tem sido uma das principais técnicas de extração de espécies químicas presentes nos mais diversos tipos de amostras líquidas. A alta capacidade de concentrar os analitos nos extratos, eliminação de interferentes, facilidade de automação e redução do consumo de solventes orgânicos são algumas das vantagens da SPE frente a outras técnicas de extração (JARDIM, 2010). Devido à importância da SPE diversas pesquisas buscam o desenvolvimento de novos sorventes para melhorar a eficiência de extração dos compostos de interesse. Os principais materiais empregados no preparo de fases sólidas são baseados em reagentes organossilanos, como C8 e C18, quimicamente ligados sobre a sílica, os quais apresentam seletividade e eficiência elevados para diversos analitos. No entanto, devido à alta hidrofobicidade destes sorventes, as substâncias mais hidrofóbicas tendem a ficar

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excessivamente retidas, requerendo um volume maior de solventes orgânicos para completar sua recuperação (NOVAIS et al. 2015). Nesse contexto, NOVAIS et al. (2015) preparou um novo sorvente de hidrofobicidade reduzida baseado na imobilização térmica do poli(dimetilsiloxano-co-alquilmetilsiloxano) sobre partículas de sílica, Si(PDAS), com diâmetro de 40 a 63 µm. O polissiloxano utilizado apresenta em sua unidade monomérica uma cadeia carbônica longa (C18 ou C16) intercalada com uma cadeia carbônica curta (C1), resultando uma menor hidrofobicidade, porém com seletividade similar à de fases sólidas C18 convencionais. A eficiência deste novo sorvente, Si(PDAS), para retenção de metoprolol, propranolol e atenolol, em amostras de água, seguida de eluição com metanol, já foi avaliada e apresentou recuperações superiores a 94, 94 e 47%, respectivamente (NOVAIS et al. 2015). A principal vantagem do uso de sorventes com menor hidrofobicidade está na recuperação de analitos mais hidrofóbicos com menor quantidade de solventes orgânicos, aumentando o fator de concentração do analito no extrato. Neste subprojeto de pesquisa, eficiência de retenção da cafeína e do 17β-estradiol, pelo novo sorvente Si(PDAS), será investigada, com vistas ao desenvolvimento de uma método de extração/concentração que permita a determinação destes compostos em amostras de água do rio São Mateus.

2 Objetivos A presente proposta objetiva o desenvolvimento e aplicação de um método de extração dos contaminantes emergentes (cafeína e 17β-estradiol), empregando um o novo sorvente de menor hidrofobicidade, Si(PDAS), para o monitoramento destes compostos nas água do rio São Mateus. Objetivos específicos:  Estudar os efeitos da variáveis (pH, velocidade de aplicação da amostra, soluções para eliminação de interferentes e de eluição) sobre a retenção da cafeína e 17β-estradiol a partir de amostras de água dopadas com estes compostos, para determinar as condições de máxima extração;  Otimização das condições experimentais para determinação por CLAE destes compostos;  Comparar a performance do novo sorvente em relação a sorventes comerciais;  Coletar e analisar amostras de água do rio São Mateus, tomadas em dois pontos de captação de água. Um ponto a montante da cidade e outro a jusante da cidade de São Mateus-ES;  Avaliar a presença de contaminantes emergentes na água de abastecimento da cidade e os efeitos dos efluentes urbanos sobre a qualidade da água;  Aprimorar e complementar a caracterização das águas do rio São Mateus de modo a evidenciar os impactos dos poluentes urbanos sobre o rio;  Difusão das técnicas de preparo de amostras e cromatográficas;  Com relação ao aluno participante, espera-se contribuir para a melhoria de sua formação acadêmica, introduzindo maior familiaridade com reações químicas, técnicas e manuseio de reagentes e equipamentos. Além de promover o raciocínio crítico sobre as questões ambientais e postura científica na resolução de eventuais problemas relacionados à pesquisa.

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Metodologia 3

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Métodos voltados à determinação de contaminantes emergentes em águas naturais estão, em sua maioria, condicionados a uma etapa de extração e pré-concentração. Inúmeras estratégias fazem uso da extração em fase sólida (SPE) com cartuchos disponíveis comercialmente. O uso de cartuchos permite a obtenção de excelentes índices de recuperação em diferentes faixas de concentração (ARDITSOGLOU et al. 2008). Em geral, os procedimentos de extração em fase sólida contêm quatro etapas: 1) condicionamento do sorvente com solvente adequado para ajustar as forças do solvente de eluição com o solvente da amostra; 2) introdução da amostra, quando ocorre a retenção do analito e às vezes de alguns interferentes; 3) limpeza da coluna para retirar os interferentes menos retidos que o analito, etapa conhecida como lavagem com solvente ou clean-up; 4) eluição do analito. Na Figura 1, abaixo, podem ser visualizadas as principais etapas do processo de extração em fase sólida a serem seguidas para isolar/concentrar os analitos de interesse desta pesquisa.

FIGURA 1- Principais etapas do processo de isolamento/concentração do(s) analito(s) por SPE

Em águas naturais da região metropolitana de Campinas (RMC), por exemplo, contaminantes emergentes foram determinados após filtração (em membrana de acetato de celulose de 0,45µm), seguido da extração em cartuchos de SPE, contendo 500 mg de poliestireno-divinilbenzeno (HLB Oasis, Waters) previamente condicionados com metanol, água deionizada e água deionizada pH≈3. A eluição dos compostos foi feita com 12 mL de metanol, e o extrato final, reduzido com N2 até 0,5 mL antes da determinação por CLAE-DAD, com corrida com gradiente de concentração entre água purificada (pH≈3) e acetonitrila, conforme descrito em SODRE et al. (2007). Cujos resultados mostraram que, dentre os 15 compostos exógenos testados, o 17β-estradiol e a cafeína são os contaminantes mais frequentemente encontrados. O método de análise descrito por SODRE et al. (2007) será tomado como referência para o desenvolvimento dos testes de recuperação a serem realizados com os novo sorvente Si(PDAS), preparado por NOVAIS et al. (2015), para extração do 17β-estradiol e a cafeína a partir de amostras dopadas em diferentes concentrações (variando entre 0,01 a 10 mg/L, conforme registrado nas águas da RMC).

ver o método de Verbinnen et al. (2010) Quim. Nova, Vol. 33, No. 9, 1837-1842, 2010 Os efeitos do ajuste do pH da amostra antes da extração (variando de 2 a 10); velocidade de aplicação da amostra dopada (0,50; 1,0; 2,0 3,0 e 5,0 ml/min) pelo cartucho contendo o sorvente Si(PDAS) montado em seringa e das soluções (tampão aquoso-solvente orgânico, acetonitrila ou metanol) a ser usado na etapa de eliminação de interferentes (clean up), serão avaliados durante o desenvolvimento do método de extração.

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Para o preparo dos cartuchos, seringas de polipropileno de 3mL serão preenchidas com suspensões de 500mg (±10mg) do sorvente Si(PDAS) em mistura metanol:água (1:1, v/v) e os recheios compactados por centrifugação a 2500 rpm por 5 min, conforme NOVAIS et al. (2015). No desenvolvimento do método de determinação por CLAE será avaliada a eficiência de recuperação e separação dos compostos. Serão estudados os efeitos dos parâmetros: pH da fase móvel (FM), vazão da FM e tipo de eluição: isocrática ou gradiente sobre a qualidade das separações e a interferência destes nos tempos de retenção dos compostos. As análises serão realizadas em equipamento WATERS 2695 (Waters Corporation, Milford, MA, USA) com detector de arranjo de diodos (DAD), auto-injetor e coluna termostatizada, instalado no CEUNES-UFES (De OLIVEIRA et al. 2014). Após o desenvolvimento dos procedimentos de extração/concentração dos analitos por SPE e avaliação da performance do novo sorvente Si(PDAS) frente a um sorvente comercial, e estabelecimento do método de determinação cromatográfica, amostras de água do rio São Mateus serão tomadas em dois pontos (um antes da cidade e outro após), figura 2, com frequência mensal, para verificar a presença e as concentração da cafeína e 17β-estradiol nestas águas. Os pontos de amostragem localizam-se nas proximidades dos locais de captação de água do rio São Mateus para abastecimento público. Estes dados permitirão evidenciar os períodos mais críticos de ocorrência dos compostos, sua comparação com os níveis encontrados em outras regiões e mensurar os impactos dos efluentes da cidade sobre o rio.

FIGURA 2 - Localização da área de estudo, entorno da cidade de São Mateus-ES, com a indicação dos locais de amostragem.

4 Plano de Trabalho / Cronograma Todas estas tarefas pertinentes à execução deste subprojeto serão realizadas pelo aluno de iniciação, após instrução, sob a supervisão do orientador. Primeiramente, o aluno realizará uma revisão rápida da literatura para tomar conhecimento dos procedimentos necessários para realização dos testes de extração e determinação cromatográfica dos compostos. Após a construção desta base de conhecimentos, será iniciada a etapa de preparo das amostras dopadas com os compostos de interesse em diferentes concentrações e estudo dos efeitos das variáveis (pH, velocidade de vazão e volume/composição da solução de clean-up) sobre a recuperação dos analitos. Em paralelo, serão ajustados os parâmetros instrumentais do sistema CLAE-DAD para a separação e detecção da cafeína e do 17β-estradiol. Os dados serão avaliados e os parâmetros ajustados objetivando identificar as condições de máxima recuperação dos analitos e melhor separação/detecção cromatográfica. Em seguida, amostras de água do

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rio São Mateus serão coletadas nos pontos indicados e analisadas. Para validação do método, porções dopadas em diferentes concentrações serão analisadas e os valores de recuperação usados para avaliar a performance e robustez do método. Com o monitoramento mensal da presença e dos níveis de concentração dos contaminantes entre os pontos amostrais, os impactos do lançamento dos efluentes urbanos poderá ser investigado e dimensionado. Desta forma, este estudo completará as diversas pesquisas desenvolvidas sobre a qualidade das águas do rio São Mateus, com foco nos impactos do despejo de efluentes sobre o rio.

ATIVIDADES Lista de atividades* 1- Revisão bibliográfica inicial. 2 - Estudo e otimização das condições de extração dos poluentes emergentes (cafeína e 17β-estradiol), empregando o novo sorvente Si(PDAS). 3 - Ajuste das condições operacionais do sistema CLAE-DAD para determinação dos analitos. 4 - Caracterização sistemática (mensal) das amostras de água do rio São Mateus. 5 - Avaliação dos resultados e comparação dos níveis encontrados nas águas. 6 - Organização, avaliação/interpretação e divulgação de resultados.

CRONOGRAMA (Ago/2015 a Jul/2016) Atividade 1 2 3 4 5 6

Ago X

Set X X

Out

Nov

Dez

Jan

Fev

Mar

Abr

Mai

Jun

X X

X

X

X

X

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X X X

X X X

Jul

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5 Referências 1- Arditsoglou, A. e Voutsa, D.(2008). Determination of phenolic and steroid endocrine disrupting compounds in environmental matrices. Environmental Science and Pollution Research , 5, 228-236. 2- IBGE (2010) Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Censo 2010. (http://censo2010.ibge.gov.br/). 3- Canela, M.C.; Jardim, W.J.; Sodré, F.F. e Grassi, M.T. (2014). Cafeína em águas de abastecimento público no Brasil / Instituto Nacional de Ciências e Tecnologias Analíticas Avançadas – INCTAA. São Carlos-SP, Editora Cubo, 100p. 4-Cardoso, F. D. (2011). Eficiência de Remoção de Estrogênios por uma Estação de Tratamento de Esgotos. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, Trabalho de Conclusão de Curso, 48p. 5- Rebouças, A.C.; Braga, B.; Tundisi, J.G. (1999). Águas Doces no Brasil: Capital Ecológico, Uso e Conservação. São Paulo, Escrituras, 185p. 6- De Oliveira, Marcelo; Pires, F.; Ferraço, M. e Belo, A. (2014). The Validation of an Analytical Method for Sulfentrazone Residue Determination in Soil Using Liquid Chromatography and a Comparison of Chromatographic Sensitivity to Millet as a Bioindicator Species. Molecules, 19,10982-10997. 7- Jardim, I.C.S.F. (2010). Extração em fase sólida: fundamentos teóricos e novas estratégias para preparação de fases sólidas. Scientia Chromatographica, 2, 13-25. 8- Novais, A.S.; Filho, J.F.R.; Amaral, E.M.F. e Faria, A.M. (2015). Novo sorvente de hidrofobicidade reduzida para extração em fase sólida: preparação e caracterização. Química Nova, 38, 274-279. 9- Sodré, F.F., Montagner, C.C., Locatelli, M. A. F. e Jardim, W.F. (2007). Ocorrência de interferentes endócrinos e produtos farmacêuticos em águas superficiais da região de Campinas (SP, Brasil). Journal of the Brazilian Society of Ecotoxicology, 2, 187-196. 10- Sodré, F.F.; Locatelli, M.A.F, e Jardim, W.J. (2010). Occurrence of emerging contaminants in brazilian drinking waters: A Sewage-To-Tap Issue. Water Air Soil Pollut, 206, 57-67. 11- Ueda, J.; Tavernaro, R.; Marostega, V. e Pavan, W. (2009). Impacto ambiental do descarte fármacos e estudo da conscientização da população a respeito do problema. Revista Ciências do Ambiente On-Line Julho, 5, 1. 11- Vargas, M.V.L.; Cotta, A.J.B. (2013). Avaliação dos impactos decorrentes do lançamento de efluentes urbanos no Rio São Mateus – ES: Resultados Preliminares. In: XVI COREEQ – Congresso Regional de Engenharia Química.

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