Análise de Carbono e Nitrogênio de Amostras Ambientais

Analisar as quantidades de carbono e nitrogênio em amostras ambientais - um processo conhecido como "análise elementar" - fornece uma visão importante sobre as propriedades ecológicas do meio ambiente.

Carbono e nitrogênio são dois dos elementos mais importantes para a vida. O carbono é a base de compostos orgânicos que formam a base de todos os seres vivos, e é particularmente útil como medida para moléculas como carboidratos, a principal fonte de energia para organismos. Por outro lado, o nitrogênio é encontrado em moléculas como nucleicos e aminoácidos. Estes servem, respectivamente, como material genético e como blocos de construção das proteínas utilizadas pelos organismos para estrutura e função.

Como essas diferentes classes de moléculas orgânicas têm diferentes papéis biológicos, os organismos as exigem em diferentes quantidades. Por exemplo, microrganismos no solo normalmente requerem fontes de alimento com uma razão C:N de 24:1. Como diferentes resíduos vegetais possuem diferentes proporções de C:N que variam de 13:1, como a alfafa, a 57:1, como no milho, eles serão decompostos por micróbios em diferentes taxas e em diferentes graus, por sua vez, afetando como os nutrientes são devolvidos ao solo.

Este vídeo introduzirá os princípios da análise da composição elementar de carbono e nitrogênio; um protocolo para a realização de análise elementar em amostras de solo; e, finalmente, algumas aplicações deste método de análise para pesquisa ambiental.

A análise elementar pode ser realizada de várias maneiras, como o uso de reações químicas específicas, muitas vezes envolvendo ácidos fortes, resultando em produtos característicos que podem ser detectados. Uma grande melhoria na metodologia de análise elementar foi o desenvolvimento da técnica de combustão flash, que removeu a necessidade de uso de produtos químicos perigosos, muito simplificado e acelerado o processo, e permitiu a automação.

A base da análise elementar baseada em combustão flash é oxidar a amostra em uma "câmara de oxidação", queimando-a na presença de oxigênio a altas temperaturas de cerca de 1.000 °C na presença de um catalisador, que acelera a reação. Isso converte o carbono na amostra em gás dióxido de carbono, e o nitrogênio em óxido de nitrogênio e gases de nitrogênio. Um "gás transportador" inerte, como o hélio, é então usado para transportar esses produtos de combustão para uma "câmara de redução" com enchimento de cobre, onde os óxidos de nitrogênio são ainda mais convertidos em gás nitrogênio. O vapor de água em excesso é removido da mistura de gás por filtragem com um dessecante como o perclorato de magnésio.

Os produtos de combustão flash podem então ser separados por cromatografia gasosa, durante a qual as moléculas de gás passam por tubos, chamadas de coluna, contendo um revestimento fino de líquido ou polímero. Os gases dissolvem-se e vaporizam repetidamente a partir deste substrato à medida que passam pela coluna, a taxas que dependem de quão fortemente as moléculas interagem com o substrato e o gás portador. Uma espécie que passa mais tempo dissolvida no substrato viajará mais lentamente pela coluna, permitindo assim que os gases sejam diferenciados.

Uma vez que eles saem da coluna, os gases podem ser identificados, por exemplo, detectando o quão bem eles conduzem o calor, uma propriedade conhecida como condutividade térmica. Ao traçar o tempo que cada gás leva para viajar através da bobina, os cientistas obtêm um "cromatógrafo" com picos que representam cada gás. Calculando as quantidades detectadas de dióxido de carbono e gases de nitrogênio usando a área sob os respectivos picos, a razão C:N na amostra original pode então ser deduzida.

Agora que você entende os princípios da análise elementar de carbono e nitrogênio usando o método de combustão flash, vamos passar por um protocolo para realizar isso usando um analisador elementar automatizado.

Para preparar as amostras do solo para análise, primeiro, seque as amostras em um forno de 60 °C por 48 h. Em seguida, passe o solo seco através de uma peneira de 2 x 2 mm, e descarte qualquer partícula de solo que não passe. Em seguida, use um moedor de moinho de esferas para moer aproximadamente 5 g do solo por 2 minutos para fazer um pó homogêneo. Coloque o solo moído em um recipiente pequeno, como um frasco de polietileno, e armazene-o em um dessecador até estar pronto para uso.

Defina os parâmetros de análise no analisador elementar de acordo com as instruções do fabricante. Estes incluem as temperaturas do forno de oxidação, o forno de redução, e o forno de cromatografia gasosa, a taxa de fluxo do gás transportador, a taxa de injeção de oxigênio, a taxa de fluxo do gás de referência, o tempo de execução do ciclo, o atraso entre a queda da amostra e a injeção de oxigênio na câmara de oxidação, e a duração da injeção de oxigênio.

Para determinar quantitativamente a composição da amostra, uma curva padrão é criada pela primeira vez usando diferentes quantidades de um composto de composição conhecida, como o ácido aspartic.

Para isso, primeiro use fórceps para remover um disco de amostra de lata de uma embalagem e moldá-lo em uma forma de copo usando o dispositivo de vedação especializado. Evite tocar o disco de lata com os dedos, pois isso pode levar à transferência de óleos para o disco.

Agora, coloque o copo de lata em um microequilípmo, e coloque a massa de tare. Remova o copo de lata e use uma microspatula para colocar aproximadamente 1 mg do padrão de ácido aspartc no copo. Pese a xícara e grave a massa. Em seguida, sele o copo de lata e coloque-o no autosampler, que entregará automaticamente cada amostra na câmara de reação.

Repita as etapas acima para várias quantidades do padrão. Em seguida, coloque todos os padrões no autosampler.

Dispense e pese as amostras de solo em copos de lata de forma semelhante aos padrões, utilizando aproximadamente 50 mg de cada amostra de solo homogeneizado. Prepare cada amostra em triplicado.

Uma vez que todas as amostras são colocadas no autosampler, e as temperaturas apropriadas foram atingidas no instrumento, defina as medidas para serem executadas. O software de instrumento produzirá um cromatograma para cada padrão e amostra.

Dependendo dos parâmetros utilizados, o pico para gás nitrogênio deve ser de cerca de 110 s no cromatógrafo, enquanto o pico de dióxido de carbono é detectado em torno de 190 s. Curvas padrão são geradas com ácido aspartíaco, que tem uma razão carbono-nitrogênio de 4 a 1. Com esse conhecimento, juntamente com a concentração de cada padrão, a área sob cada pico pode ser usada para calcular a quantidade de nitrogênio e carbono em cada amostra.

Com base na massa da amostra original, o percentual de nitrogênio e percentual de carbono de cada amostra pode ser calculado. Nesta demonstração, a razão C:N desta amostra de solo foi encontrada aproximadamente 13:1, inferior à razão de 14,25:1 geralmente encontrada para o solo sob florestas abertas e indicativo de madeiras dominadas pelas invasivas árvores de espinheiro europeu.

A análise de teor de carbono e nitrogênio pode ser aplicada a uma variedade de amostras ambientais, além do solo, e tem amplas aplicações em pesquisas ambientais.

Neste exemplo, pesquisadores coletaram amostras de água de vários habitats marinhos, como recifes de corais. Para entender a disponibilidade de nutrientes orgânicos para comunidades microbianas marinhas, foram medidos vários parâmetros químicos, incluindo análise elemental de carbono e nitrogênio. Os níveis de carbono orgânico dissolvido foram diretamente medidos a partir da amostra de água, enquanto a matéria orgânica particulada foi filtrada da água e analisada.

A análise elementar também pode ser usada para monitorar a perda de nutrientes no escoamento da irrigação de paisagens urbanas e gramados, que podem poluir o abastecimento de água. Aqui, os cientistas montam planos de teste para simular paisagens urbanas e entender melhor esse processo. Uma variedade de testes químicos foram utilizados para analisar nutrientes específicos, como nitratos e amônia no escoamento coletado, e a análise elementar baseada em combustão foi utilizada para medir os níveis de carbono orgânico e nitrogênio dissolvidos.

Finalmente, a análise da razão C:N nas carcaças de herbívoros revelou uma ligação interessante entre o risco de predação e a taxa de decomposição no solo. Neste estudo, os gafanhotos foram criados com ou sem o risco de predação por aranhas. Carcaças desses gafanhotos foram então permitidas a se decompor em parcelas de solo, e detritos vegetais foram posteriormente adicionados ao solo para decomposição.

A análise elementar mostrou um pouco maior a proporção de C:N em gafanhotos criados com risco de predação, mas isso, por sua vez, levou a uma diminuição significativa da taxa de decomposição no solo em que o gafanhoto estressado foi decomposto, apontando para dinâmicas complexas inesperadas no ciclismo de nutrientes ecossistêmica.

Você acabou de assistir ao vídeo de JoVE sobre análise de carbono e nitrogênio de amostras ambientais. Você deve agora entender os princípios por trás deste método de análise; como realizá-lo usando um analisador elementar de combustão flash; e algumas de suas aplicações em ciência ambiental. Como sempre, obrigado por assistir!