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A utilização de isótopos em análises biológicas Ecologia Energética 2007/2 Victor Sábato Rocha.

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1 A utilização de isótopos em análises biológicas Ecologia Energética 2007/2 Victor Sábato Rocha

2 INTRODUÇÃO Usando isótopos como traçadores ou espiões é possível obter novas informações sobre o percurso dos átomos de elemento, seja num indivíduo, cadeia trófica ou ambiente.

3 INTRODUÇÃO Isto ocorre porque eles podem ser diferenciados com grande precisão dos íons do composto que já está no ambiente, mesmo que não haja comportamento químico diferente.

4 Figura 1: Isótopos de Hidrogênio – Protio, Deutério e Trítio.

5 INTRODUÇÃO Os isótopos podem ser utilizados como traçadores e suas vantagens são: Maior sensibilidade em relação às medidas químicas Permitem a descrição dos passos de um elemento em particular através de um sistema metabólico. Podem ser detectados e localizados por filmes de Raios-X

6 PARTICULARIDADES

7 Isótopos são utilizados pois são capazes de sensibilizar superfícies, materiais ou equipamentos. Isto ocorre devido ao processo de desintegração que as formas mais pesadas sofrem para atingir estados mais estáveis.

8 PARTICULARIDADES No processo de desintegração o átomo emite radiação. As principais formas de radiação emitidas são partículas alfa, partículas beta e raios gama.

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10 TABELA DE ISÓTOPOS Em vermelho: Os núcleos estáveis encontrados na natureza. Em azul : Os núcleos que possuem mais prótons em comparação com os núcleos estáveis (em vermelho). Em verde : Os núcleos que possuem mais nêutrons comparados com os núcleos estáveis (em vermelho). Em rosa : São núcleos muito ricos em prótons ou em nêutrons. Estes núcleos são chamados de Núcleos Exóticos e possuem características muito diferentes que a maioria dos outros núcleos e escapam às explicações fornecidas pelos modelos existentes, gerando um grande desafio para a física nuclear teórica. A grande maioria destes núcleos ainda não foram medidos experimentalmente.

11 UTILIZAÇÃO

12 Os isótopos mais usados como traçadores são: P-32, S-35, Ca-45, Fe-59, Cu-64, Zn-65, C-14, H-3, N-15 e O-18, sendo os dois últimos isótopos estáveis. Grande parte deles pode ser facilmente utilizada, como o P-32 e o S-35, mas o C-14 e o Ca-45 apresentam problemas de Meia-Vida (5700 anos) longa e possibilidade de incorporação ao esqueleto ósseo se ingerido, respectivamente.

13 UTILIZAÇÃO: Carbono 14 O carbono possui vários isótopos. Os principais são o C-12 (98,89 %) e C-13 (1,11%) estáveis, e o C-14 instável, encontrado na atmosfera na proporção de um átomo a cada 1012 átomos de C-12. O C-14 é um radionuclídeo produzido continuamente através de reações nucleares a partir de interações entre as partículas energéticas (raios-cósmicos) e nuclídeos atmosféricos.

14 UTILIZAÇÃO: Carbono 14 Para a obtenção de C-14 várias produções podem ocorrer (ex.: 14 N + n 1 H + 14 C) Quase a totalidade do C-14 é formada a partir de N-14 devido a sua abundância (99,63%). Uma vez produzido o C-14 decai para N-14 estável, através de uma emissão β -. [ 14 N + n 1 H + 14 C ]

15 UTILIZAÇÃO: Carbono 14 Dentro do processo do ciclo do carbono muitas moléculas orgânicas sofrem transformações, interagindo em seqüência com compostos inorgânicos de C. Para estudar essas transformações, o C-14 é introduzido nos compostos para descrever todo processo metabólico.

16 UTILIZAÇÃO: Carbono 14 Dentre essas transformações podemos citar: Incorporação do CO2 pelos microrganismos Decomposição da celulose, hemicelulose e lignina Degradação de substratos orgânicos e ou compostos químicos Processos Metabólicos Utilização de Glicose marcada em estudos de Biomassa microbiana Eficiência Fotossintética

17 Biocidas Os biocidas são liberados intencionalmente no ambiente para o controle de insetos, plantas daninhas, doenças em plantas e outros males que afetam a agricultura e a produção animal. Assim de acordo com a legislação, seu uso deveria ser regulado e monitorado devido aos problemas potenciais associados ao seu uso indiscriminado.

18 Biocidas Os resíduos de pesticidas em plantações e em outros alimentos apresentam problemas especiais: sua presença não é somente importante em termos humanos, mas também nas cadeias tróficas em ambientes naturais. O termo resíduo não somente denota pesticidas, mas também compostos que possam derivar de seu metabolismo, mudanças químicas e outros processos.

19 Biocidas Para o registrar a presença dos pesticidas frequentemente são requeridos estudos de metabolismo em plantas, pássaros, peixes e mamíferos. Para tais estudos são utilizadas moléculas marcadas radioativamente como C-14 e H-3.

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21 Biocidas Os biocidas no solo estão sujeitos a processos de degradação. Estes incluem degradação química, fotoquímica ou decomposição biológica. O processo de transferência é caracterizado pela permanência da molécula intacta, incluindo adsorção ao solo, absorção, exudação e retenção por plantas e outros organismos, washoff no solo, volatilização, infiltração no solo e ascensão por capilaridade.

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23 Biocidas Em Dezembro de 1984 no Encontro do Grupo FAO/IAEA em Vienna foram discutidas as aplicações de técnicas nucleares para estudo de pesticidas nos processos ambientais, ressaltando a utilização de pesticidas marcados com C-14. Tais informações são essenciais para formulação de um guia de uso de pesticidas.

24 Detecção de Carbono 14 Na maioria dos estudos de degradação de biocidas com o emprego de técnicas nucleares utiliza-se o método de Respirometria (medida de CO2 liberado na biodegradação de um solo, utilizando o C-14 como traçador e a medida de radioatividade através de espectrofotômetro de cintilação líquida).

25 lã de vidro cal sodada 4g lã de vidro armadilha para CO2 atmosférico coluna de vidro entrada para aeração cal sodada 4g lã de vidro frasco erlenmeyer 300mL solo 50g com C-14-herbicida Esquema do Frasco de cal sodada descrito por Anderson, armadilha para CO2 atmosférico

26 Detecção de Carbono 14 A amostra a ser analisada é misturada com uma solução cintilante (coquetel de cintilação). Através da interação da radiação com o cintilador, fótons são emitidos e estes são prontamente detectados. A solução de cintilação consiste de um solvente orgânico, um cintilante (flúor) e um deslocador de comprimento de onda como soluto. O coquetel atua como um transdutor, convertendo energia de emissão de decaimento nuclear em luz.

27 Detecção de Carbono 14 O recipiente de contagem, contendo o coquetel de cintilação e a amostra radioativa é opticamente acoplado a um fotocatodo e um sistema fotomultiplicador. Geralmente, a máxima eficiência do fotocatodo está em um comprimento de onda menor que o da luz emitida pelo cintilador. Em tal caso um deslocador de comprimento de onda (flúor secundário) é acrescentado ao coquetel de cintilação. Esta substância assumi a energia de excitação do cintilador primário e emite o com um comprimento de onda maior a fim de combinar a resposta espectral do fotocatodo.

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29 Detecção de Carbono 14 Um outro método é a autoradiografia. Utilizada para localizar e visualizar um traçador radioativo através da sensibilização pela radiação ionizante de emulsões fotográficas. Emulsões são suspensões de sais de prata. Cobre-se o material com emulsão fotográfica especial sob tempo específico e então se revela o filme. Na revelação os sais são transformados em grãos de prata (pontos pretos). Deve-se tomar cuidado para que não haja pressão ou efeito químico do material na emulsão, pois poderiam produzir uma imagem.

30 Foi a técnica utilizada por Becquerel em 1896 na descoberta da radioatividade.

31 Detecção de Carbono 14 As áreas escuras constituem um auto- retrato da atividade do material. A intensidade do escurecimento é função do tempo de exposição e da quantidade de atividade na amostra naquele local.

32 Terceiro método: Espectrometria de Acelerador de Massa (AMS)

33 Detecção de Carbono 14 Originalmente desenvolvido para detectar radiocarbonos em amostras orgânicas que morreram há mais de anos. O uso de dois acelerados eletrostáticos para detecção do 14 C em amostras orgânicas é vantajoso, pois permite discriminação entre os dois interferentes de massa 14, ou seja, 14 N e 12 CH 2 e 13 CH.

34 Detecção de Carbono 14 A destruição das moléculas é uma propriedade do AMS que emprega duplos aceleradores eletrostáticos que é de crucial importância na detecção ultra-sensível de cada isótopo em adição ao 14C para o qual AMS é usado.

35 Conclusão A partir da análise das propriedades dos isótopos e consequentemente do comportamento dos mesmos em sistemas biológicos, foi possível extrapolar sua utilização para as mais diversas tarefas dentro do campo da Biologia. De diagnósticos médicos à Ecologia de Processos, o uso de isótopos demonstrou-se de extrema importância no avanço do entendimento do funcionamento da Vida, configurando-se como ferramenta fundamental para a compreensão da dinâmica dos sistemas biológicos.

36 Fontes Bibliográficas GONZALES, Alvarez. Aplicacion en medicina de los isotopos radiactivos. Barcelona: Cientifico-Medica, p. KAPLAN, Irving; CASTILLO, Felipe de la Cruz. Fisica nuclear. Madrid: Aguilar, c p. SACKS, Jacob. Isotopic tracers in biochemistry and physiology. New York: McGraw- Hill, p. CAMARGO, P.B. Dinâmica da matéria orgânica do solo decorrente das mudanças no uso da terra utilizando isótopos de carbono. Estudo de um caso: Paragominas, PA. Tese Doutorado: Centro de Energia Nuclear na Agricultura/Universidade de São Paulo. Piracicaba : S.N., 1997, 98 p. CARVALHO, F.P.; HANCE,R.J. Pesticides in Tropical marine environments: Assessing their fate. IAEA Bulletin, v. 35 (2), 1993, p IAEA/FAO. Proceedings of a Symposium, OLIVEIRA, A.C.; SGARBIERI, V.C.; VICTORIA, R.L.; CERRI, C.C (Ed). Avaliação biológica de proteínas de feijão (Phaseolus vulgaris l.), utilizando carbono 14 e nitrogênio 15. In: Latinoamerican and Caribbean Seminar on Recent Advances in Bean Research, 1. Advances in Bean Research; Chemistry, Nutrition, Technology; Proceedings. Sao Paulo : University of Sao Paulo, 1988, p PLIMMER, J.R. Chemicals for Agriculture. IAEA Bulletin v. 26 (2), 1984, p

37 Websites Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear – CDTN. Acessado em 27 de novembro de 2007.http://www.cdtn.br/ Comissão Nacional de Energia Nuclear – CNEN. Acessado em 27 de novembro de 2007.http://www.cnen.gov.br/ Los Isótopos. Acessado em 29 de novembro de Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação – FAO. https://www.fao.org.br. Acessado em 25 de novembro de https://www.fao.org.br International Atomic Energy Agency – IAEA. Acessado em 25 de novembro de 2007.http://www.iaea.org/ Aplicação de Radioisótopos em Bioquímica das Plantas. Acessado em 28 de novembro de Breve revisão de Espectrometria de Massa e da Técnica PDMS. rio.br/pergamum/tesesabertas/ _03_cap_02.pdf. Acessado em 29 de novembro de 2007.http://www2.dbd.puc- rio.br/pergamum/tesesabertas/ _03_cap_02.pdf Wikipedia – Mass Spectrometry. Acessado em 29 de novembro de 2007.http://en.wikipedia.org Laboratório de Carbono 14. Acessado em 29 de novembro de 2007http://www.cena.usp.br/labs/labc14.htm Detectores Centelleadores. Acessado em 29 de novrmbro de


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