Bioinorgânica: Metais em Sistemas Biológicos

Mercúrio

A química bioinorgânica propõe-se investigar a ação biológica dos elementos da tabela periódica que usualmente não fazem parte dos ciclos biológicos conhecidos.

O estudo de elementos como os metais pesados é de suma importância, por exemplo, em 1956 no Japão, verificou-se um lamentável acidente ambiental e humanitário provocado por uma intoxicação com mercúrio. Durante décadas, o mercúrio fora lançado na baía de Minamata pela companhia Chissa, uma multinacional produtora de plásticos (PVC) e acetaldeído. O mercúrio acumulado nos sedimentos da baía foi sendo transformado por ação bacteriana em metil-mercúrio (composto lipossolúvel e altamente tóxico), daqui à sua introdução na cadeia alimentar foi um pequeno passo. Os pescadores alimentando-se dos peixes desta região acumularam este metal no seu organismo provocando sintomas de envenenamento e morte, inclusive (a revista Environment referiu, em Abril de 1978, que o número de vítimas ascendia a 1046).

É atentando em situações catastróficas como esta que se compreende a crucialidade das investigações relativas a estes elementos.

Existem elementos que ocorrem irregularmente nos tecidos vivos e podem ser acumulados por certas espécies de plantas ou animais. Entre estes encontram-se o alumínio, bário, chumbo e lítio, considerando-se que estas espécies são adquiridas pelo contato com o ambiente, seja por processos físicos (partículas inaladas, contaminação de pele, cabelo ou unhas por fumo ou pó, etc.) ou por processos químicos.

Estes elementos entram em competição com as espécies de reatividade semelhante podendo ocupar o lugar destas últimas. Uma das teorias de evolução afirma mesmo que o uso dos elementos apenas depende das condições externas ao organismo. Na condição de ocorrer uma mudança ambiental, o ser deve conseguir adaptar-se e passar a utilizar o elemento mais abundante e disponível em detrimento de qualquer outro até aquele ponto usado (crê-se que o uso do oxigênio começou precisamente por um processo idêntico).

Os elementos ditos pesados são de rara ocorrência natural em biologia. Desta forma, a sua presença no organismo humano não é assinalável. Não obstante, estes elementos podem ter potencialidades como por exemplo, na forma de medicamentos.

O funcionamento das células, assim como a sua estrutura, pode ser influenciada de várias formas com o aumento da concentração de um determinado elemento tóxico, como por exemplo o cádmio, chumbo e mercúrio. Consequentemente, poderão ocorrer as seguintes manifestações:

• inibição de enzimas por ação de metais pesados (no centro ativo);
• ligação a outros radicais das enzimas alterando a sua conformação e reatividade;
• substituição de determinados grupos nas moléculas biológicas;
• formação de precipitados com metais das enzimas ou outros grupos envolvidos no metabolismo;
• catálise da decomposição de metabolitos alterando a sua permeabilidade;
• substituição dos elementos com funções eletroquímicas;

Em relação à localização intracelular dos elementos metálicos, quer se trate de animais ou de plantas que vivem em ambientes naturais ou artificialmente poluídos, verifica-se que enquanto nos animais o sistema lisossomal desempenha um papel fundamental no sequestro desses poluentes, a nível vegetal a localização pode ocorrer a nível da parede celular do núcleo das células não diferenciadas ou simplesmente dos vacúolos.

Um efeito comum que advém da intoxicação por metais pesados é a alteração do tamanho e da forma da célula e a consequente interferência com a divisão celular, nomeadamente para os organismos unicelulares. Podemos referir outras alterações, como por exemplo a desintegração dos cloroplastos por ação do Hg (mercúrio), a alteração do sistema lamelar dos cloroplastos por ação do Pb (chumbo), a alteração das cristas mitocondriais pela ação do Cd (cádmio).

Um dos exemplos mais conhecidos do perigo dos metais pesados é o que relembra o Chapeleiro Maluco, personagem criada por Lewis Carroll para o seu livro Alice no País das Maravilhas. Os sintomas de desordem psíquica dever-se-ão ao envenenamento por mercúrio o qual era comum nos artesãos devido ao uso de soluções de compostos de mercúrio como agentes depilatórios na preparação das peles para o fabrico de chapéus.^[2]

Num campo oposto, encontramos os metais pesados como aplicações medicinais. Neste caso, duas importantes drogas farmacêuticas baseadas em metais sem função biológica conhecida são a cis-platina (Pt) e a aurofina (Au), que são amplamente usadas no tratamento de tumores cancerígenos e na artrite reumatoide, respectivamente. Além do mais, compostos de íons metálicos radioativos como o ^99mTc e complexos de metais paramagnéticos como o Gd (III) – gadolínio- são usados cotidianamente como agentes de diagnóstico de doenças.

Houve tempos, ainda, nos quais se usaram placas de prata como estruturas de suporte em operações cirúrgicas (placas para ossos partidos).

Alguns Elementos Não Biológicos

Alumínio (Al)

Não é muito tóxico em níveis normais, embora não seja considerado como essencial. Investigações recentes implicam a presença e atuação do alumínio na doença de Alzheimer e outras síndromes cerebrais e de senilidade, não há indicação de carcinogenicidade para o alumínio. Sabe-se ainda, que este metal pode reduzir os níveis de vitaminas ou ligar-se ao DNA.^[1]

Arsênio (Ar)

Existe naturalmente em pequena quantidade em vários alimentos: camarão (19 ppm – partes por milhão), milho (0,4 ppm). O arsênio e os metais pesados devem a sua toxicidade à sua capacidade de reagir e inibir sistemas enzimáticos de sulfidrila (-SH), tais como as envolvidas na produção de energia celular.^[1]

A toxicidade do arsênio depende do seu estado químico. Enquanto o arsênio metálico e o sulfureto de arsênio são praticamente inertes, o gás AsH₃ é extremamente tóxico. De um modo geral, os compostos de arsênio são perigosos, principalmente devido aos seus efeitos irritantes na pele. A toxicidade destes compostos é principalmente devido à ingestão e não à inalação embora deva haver cuidados de ventilação em ambientes industriais que usem compostos de arsênio.^[3]

Chumbo (Pb)

É uma neurotoxina, sendo disseminada pela corrente sanguínea. Parte deste metal é armazenado no fígado e tecidos moles, sendo geralmente transportada para os ossos, desalojando o cálcio. Face a isto não é de estranhar que a concentração de chumbo no corpo aumente com a idade.

Em sistemas aquáticos, o comportamento de compostos de chumbo é determinado principalmente pela hidrossolubilidade. Concentrações de chumbo acima de 0,1mg/L inibem a oxidação bioquímica de substâncias orgânicas, e são prejudiciais para os organismos aquáticos inferiores. Concentrações de chumbo entre 0,2 e 0,5mg/L empobrecem a fauna, e a partir de 0,5mg/L a nitrificação é inibida na água.^[3]

Cobre (Cu)

As fontes de cobre para o meio ambiente incluem corrosão de tubulações de latão por águas ácidas, efluentes de estações de tratamento de esgotos, uso de compostos de cobre como algicidas aquáticos, escoamento superficial e contaminação da água subterrânea a partir de usos agrícolas do cobre como fungicida e pesticida no tratamento de solos e efluentes, além de precipitação atmosférica de fontes industriais.
As principais fontes industriais são as indústrias de mineração, fundição, refinaria de petróleo e têxtil. No homem, a ingestão de doses excessivamente altas pode acarretar em irritação e corrosão da mucosa, danos capilares generalizados, problemas hepáticos e renais e irritação do sistema nervoso central seguido de depressão.^[3]

Ferro (Fe)

O ferro, em quantidade adequada, é essencial ao sistema bioquímico das águas, podendo, em grandes quantidades, se tornar nocivo, dando sabor e cor desagradáveis à água, além de elevar a dureza, tornando-a inadequada ao uso doméstico e industrial.

Magnésio (Mg)

É um elemento essencial para a vida animal e vegetal. A atividade fotossintética da maior parte das plantas é baseada na absorção da energia da luz solar, para transformar água e dióxido de carbono em hidratos de carbono e oxigênio. Esta reação só é possível devido à presença de clorofila, cujos pigmentos contêm um composto rico em magnésio.
A falta de magnésio no corpo humano, pode provocar diarreia ou vômitos bem como hiperirritabilidade ou uma ligeira calcificação nos tecidos. O excesso de magnésio é prontamente eliminado pelo corpo.^[3]

Complexos metálicos radioativos

Complexos metálicos com núcleos radioativos têm muitas aplicações em medicina para visualizar tecidos como tumores e órgãos. Idealmente, os radioisótopos usados para propósitos de diagnósticos deverão ser de vida curta e emitindo fótons gama de baixa energia.^[1]

A química bioinorgânica busca conhecer as propriedades e funções dos metais nos sistemas biológicos, estando estes envolvidos direta ou indiretamente nos processos bioquímicos.
Essa é uma ciência que utiliza compostos inorgânicos na medicina desde os tempos da alquimia, e cujo crescimento está relacionado à nossa necessidade de conhecermos melhor os nossos próprios processos biológicos, e os processos que ocorrem na natureza em geral.
Nesses nossos tempos de desenvolvimento do conhecimento genético e da biotecnologia associada, a bioinorgânica passará a ter um valor agregado ainda maior.
Finalmente, é indispensável uma melhor compreensão daqueles processos bioinorgânicos envolvendo metais que não ocorrem nos seres vivos, mas que podem (e alguns deles o são) utilizados farmacologicamente para o tratamento de moléstias, e daqueles que são simplesmente tóxicos e cuja intoxicação poderá ser controlada e revertida, e ainda daqueles elementos-traço cujas funções vitais ao homem e ao meio ambiente vivo são ainda desconhecidas. O trabalho dos bioquímicos inorgânicos certamente é imenso, mas suas recompensas certamente serão proporcionais.

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Fonte de consulta:

[1] Pedro Costa e Pedro Sousa; Faculdade de Ciências de Lisboa; 1999.

http://www.terravista.pt/enseada/5002/inorganica/elementos/biologia.htm

[2] Baird, Colin; Química Ambiental; 2ª Ed.; Porto Alegre; Editora Bookman; 2002; Cap.7, pág.412.

[3] http://www.igam.mg.gov.br/aguas/htmls/param_quimicos.htm

[4] R.J.P.Williams, J.R.R.F.da Silva, New Trends in Bioinorganic Chemistry, Academic Press, 1978

[5] http://chemcases.com/cisplat/index.htm

[6]http://inorgan221.iq.unesp.br/quimgeral/respostas/bioinorgan.html

[7] Henry, John Bernard; Clinical Diagnosis & Management by Laboratory Methods; 9ª edição; 2001; Editora Interamericana.

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Energia Solar Térmica e Fotovoltaica

Energia Solar Térmica e Fotovoltaica

            Energia é definida como a capacidade de realizar trabalho. Quando usamos uma força sobre um objeto e o deslocamos de um ponto a outro estamos realizando um trabalho. A força pode ser, por exemplo:

• dos ventos: energia eólica;
• dos mares: energia maremotriz;
• da queda d’água em uma cachoeira: energia hidráulica;
• da expansão de um material sólido, líquido ou gasoso quando aquecido: energia térmica;
• da luz: energia luminosa ou radiante;
• da luz e do calor do sol: energia solar.
• dos vulcões e das fontes de água térmica: energia geotérmica;
• da existente nos seres vivos: energia vital.

            As fontes de energia podem ser classificadas em primárias, secundárias, renováveis e não-renováveis.

• Fontes primárias são aquelas cujos combustíveis são substâncias naturais, como o petróleo, o carvão mineral, o gás natural e a lenha.
• Fontes secundárias são aquelas que trabalham com combustíveis derivados de outros combustíveis, como o óleo diesel e a gasolina (derivados do petróleo).
• Fontes renováveis são aquelas que têm seus combustíveis inesgotáveis ou que suas reposições são realizadas em curto prazo. O sol é uma fonte de energia renovável porque é considerada inesgotável. A lenha, o bagaço de cana e o álcool são fontes renováveis para as usinas termelétricas porque são produzidos e repostos em curto prazo. Os lagos são fontes renováveis porque a água é rapidamente reposta pelas chuvas.
• Fontes não-renováveis são aquelas que têm seus combustíveis renovados em séculos ou milênios, como o petróleo e o gás natural.

           

Até então, a humanidade tem usado, de uma forma geral, as fontes não-renováveis. Essas fontes podem se esgotar em algumas dezenas ou centenas de anos. Assim, o momento é muito propício para se pensar no uso de outras fontes. Alguns países estão investindo em fontes renováveis. O Brasil está aproveitando o aquecimento solar e começa a investir também na energia eólica, na queima do bagaço de cana e no biodiesel.

           Quando se trata de encontrar soluções para o problema de abastecimento de energia no mundo, a energia solar pode ser a principal delas. O interesse pela utilização da radiação solar como fonte de energia alternativa cresceu muito na duas últimas décadas, por razões econômicas, principalmente após a crise do petróleo de 1973, quando os estudos nessa área receberam grande impulso nos Estados Unidos e na Europa. Hoje, esse interesse está adquirindo maior dimensão, abrangendo não só o aproveitamento dessa radiação como fonte de energia limpa e renovável, mas também o conhecimento do clima e de suas mudanças -- uma questão crucial, que envolve a própria manutenção da vida na Terra.

Energia solar térmica e fotovoltaica

          Segundo a Lei da conservação da energia: “A energia não pode ser criada nem destruída, mas apenas transformada.” Valendo-se deste princípio, temos que, parte da energia solar que aquece o nosso planeta transforma-se em energia térmica e esta cria os ventos, que passam a uma energia eólica, que por sua vez pode ser transformada em energia elétrica.

            As aplicações mais comuns da energia solar são a conversão da radiação solar em energia térmica, para o aquecimento de água, secagem de produtos agrícolas, geração de vapor e elétrica ou fotovoltaica para a refrigeração, bombeamentos e iluminação.

No sistema termossolar é indispensável o uso do coletor solar, equipamento responsável pela absorção e transferência da radiação do sol para um fluido (nem sempre é a água). O coletor solar plano é uma caixa retangular rasa, de material metálico ou plástico, coberta de vidro ou plástico transparentes. Dentro dele encontra-se a serpentina - de cobre, devido à sua alta condutividade térmica - por onde o fluido escoa. A placa absorvedora ou aleta, de cobre ou alumínio, envolve a serpentina e é pintada de preto para facilitar a absorção de calor. A água fria, ao passar pelos canos se aquece, completando o ciclo.

O aproveitamento da energia solar é um projeto viável, tanto em termos técnicos quanto econômicos. O elevado custo, principal obstáculo para sua utilização em escala comercial, já está sendo vencido. Especialistas nessa tecnologia prevêem uma queda de até seis vezes no preço do quilowatt (kW) obtido a partir de energia solar até o ano 2015. Mas o uso dessa energia ainda enfrenta dois grandes problemas: a intermitência, pois depende do ciclo diurno e de variações aleatórias de insolação (causadas principalmente por nuvens), e o baixo rendimento de energia por unidade de superfície.

           Nos sistemas fotovoltaicos a radiação solar é convertida em energia elétrica por intermédio dos chamados semicondutores, que são configurados em elementos denominados células fotovoltaicas.      

        Os semicondutores feitos de silício são os mais usados na construção das células e o seu rendimento possível razoável é, atualmente, de cerca de 25-30%. Uma vez que cada célula produz uma corrente contínua de intensidade relativamente fraca, procede-se à sua associação para obter, após encapsulamento, um conjunto denominado módulo fotovoltaico. O agrupamento de módulos, colocados numa mesma estrutura de suporte, forma um painel. Quando incide luz solar com energia suficiente sobre estas estruturas, produz-se uma corrente de eletrons, obtendo-se assim energia elétrica utilizável.

          Já o painel fotovoltaico - utilizado para converter a energia solar em eletricidade - não depende de calor. A conversão da energia é realizada pelas células solares, através do efeito fotovoltaico: os fótons (carga elétrica nula) incidentes e os átomos de certos materiais provocam um deslocamento dos elétrons, carregados negativamente, e geram uma corrente elétrica. Portanto, a energia solar fotovoltaica é apropriada também para regiões de pequena incidência dos raios solares. É uma boa solução para localidades de difícil acesso, que inviabilizam a instalação das linhas de transmissão de energia elétrica.

As principais vantagens atribuídas aos sistemas fotovoltaicos são:

ñ A facilidade de manutenção (apenas é necessário proceder-se periodicamente à sua limpeza);

ñ A possibilidade de armazenar a eletricidade gerada em baterias;

ñ Os impactos relativamente reduzidos, principalmente na fase de operação e a contribuição para a redução da dependência externa, em termos de importação de combustíveis fósseis.

 Em relação às desvantagens referem-se:

ñ Os custos de implementação associados;

ñ As condicionantes inerentes à natureza da energia solar são as alterações de luz ao longo das 24 horas, a presença de condições climatéricas desfavoráveis (chuva, nuvens) e o sombreamento causado por árvores ou edifícios é que reduzem a eficiência do sistema;

ñ A necessidade de manutenção e substituição de baterias e os impactos negativos durante as fases de produção, construção e desmantelamento.

Impactos Ambientais

          Embora não poluentes, as energias alternativas não estão isentas de impactos negativos na natureza. Em termos de produção de eletricidade, os painéis fotovoltaicos devolvem a energia empregada na sua construção em cerca de três anos, e emitem, relativamente a uma central térmica convencional, cerca de 20% menos CO² para a mesma quantidade de eletricidade produzida.
         Os impactos ambientais mais importantes ocorrem nas fases de produção, construção e desmantelamento dos sistemas. Na construção de células fotovoltaicas utilizam-se diversos materiais perigosos para o ambiente e saúde e é consumida uma quantidade apreciável de energia, a que está ligada a emissão de poluentes atmosféricos, nomeadamente de gases de estufa. Alguns tipos de células (ex: CdTe e CIS) utilizam matérias-primas raras, o que, em caso do fabrico em grande escala, pode contribuir para a depleção de recursos naturais. São ainda produzidos resíduos sólidos, alguns dos quais perigosos, requerendo um manuseamento e deposição controlados.
          A magnitude dos impactos associados à implementação deste tipo de sistemas depende de fatores como a sua dimensão, eficiência e natureza da área de implantação. Um dos principais impactos da instalação de grandes parques fotovoltaicos resulta da ocupação de solo e das alterações causadas aos ecossistemas presentes e à paisagem em termos visuais. Os sistemas de pequena dimensão, sobretudo quando instalados em telhados ou fachadas, têm impactos visuais reduzidos.
     O desmantelamento dos painéis fotovoltaicos pode representar um risco para o ambiente, devido à periculosidade dos materiais que os constituem.

           

       Neste contexto, parece que no futuro a solução para o problema da energia, terá que passar não pela exploração de um método perfeito, mas sim da procura de um equilíbrio entre os diferentes métodos aplicados a diferentes realidades. Ainda mais importante que procurar novas formas de obter energia, de a aproveitar ou armazenar, é sem dúvida conseguir reduzir os seus custos.

Vantagens e desvantagens de diferentes energias:

Fonte	Vantagens	Desvantagens
Carvão	Barato Fácil de recuperar.	Requer controles de alto custo de poluição do ar (mercúrio, dióxido de enxofre). Contribuinte significativo à chuva ácida e a aquecimento global. Requer sistema extensivo de transporte.
Nuclear	O combustível é barato. É a fonte mais concentrada de geração de energia. O resíduo é o mais compacto de toda as fontes. Base científica extensiva para todo o ciclo. Fácil de transportar como novo combustível. Nenhum efeito estufa ou chuva ácida.	É a fonte de maior custo por causa dos sistemas de emergência, de contenção, de resíduo radioativo e de estocagem. Requer uma solução a longo prazo para os resíduos armazenados em alto nível na maioria dos países. Proliferação nuclear potencial. Produção de plutônio.
Hidrelétrica	Muito barato após a represa ser construída. Investimentos promovidos por governos na maioria das vezes.	Fonte muito limitada pois depende da elevação da água. O colapso da represa conduz geralmente à perda de vidas. As represas afetam a desova e a migração dos peixes. Danos ambientais para as áreas inundadas (acima da represa) e rio abaixo.
Marés	Uma vez construída a barragem a força das marés é gratuita. Não produz gases do efeito estufa ou outros poluentes. Manutenção barata. Marés são previsíveis e energia elétrica é confiável.	Construção cara. Afeta uma extensa área a montante e jusante, interferindo no ciclo de alimentação de pássaros marinhos. Energia é gerada por aproximadamente 10 horas, quando há movimento de marés. Não há muitos locais apropriados para uma estação desta natureza.
Gás/Óleo	Bom sistema de distribuição para os níveis de uso atuais. Fácil de obter. Melhor fonte de energia para o aquecimento de espaços.	Disponibilidade muito limitada como mostrado por faltas durante o inverno nos países frios. Poderia ser o contribuinte principal do aquecimento global. Caro para geração de energia. A grande oscilação dos preços conforme a oferta e a demanda. Reservas concentradas geograficamente em área de turbulência política.
Vento	O vento é grátis, se disponível. Boa fonte para suprir a demanda de bombeamento periódico de água nas fazendas, como já visto em vários países no início do século.	Necessita de 3 vezes a quantidade de geração instalada para atingir à demanda. Limitado a poucas áreas. O equipamento é caro de se manter. Necessita de armazenamento de energia de alto custo (baterias). Altamente dependente do clima - o vento pode danificá-lo durante fortes ventanias ou não girar durante dias, conforme a estação do ano. Pode afetar a rota de voo de pássaros e morcegos.
Sol	A luz solar é grátis, quando disponível.	Limitado às áreas ensolaradas do mundo (muita demanda quando está pouco disponível, por exemplo no aquecimento solar). Requer materiais especiais para espelhos/painéis que pode afetar o meio ambiente. Requer quantidades grandes de terra para quantidades pequenas de geração da energia.
Biomassa	Baixo custo. Renovável.	Ineficiente se forem usadas plantas pequenas. Poderia ser um contribuinte significativo para o aquecimento global pois o combustível tem baixo índice de contenção de calor.
Combustível a partir de resíduos	O combustível pode ter baixo custo. Poderia criar empregos pois plantas menores poderiam ser usadas. Emissões baixas de dióxido de enxofre.	Ineficiente se forem usadas plantas pequenas. Poderia ser um contribuinte significativo para o aquecimento global pois o combustível tem baixo índice de contenção de calor. As cinzas podem conter metais como o cádmio e chumbo. Libera no ar e nas cinzas substâncias tóxicas como dioxinas.
Fusão	O hidrogênio e o trítio poderiam ser usados como fonte de combustível. Geração mais elevada de energia por unidade de massa do que na fissão. Níveis mais baixos de radiação associados ao processo do que em reatores baseados em fissão.	O ponto rentabilidade ainda não foi alcançado após aproximadamente 40 anos de pesquisa de alto custo e as plantas comercialmente viáveis são esperadas para daqui a 35 anos.

Fontes de consulta:
www.aondevamos.eng.br/galeria/html/energiasolar.htm
www.netwaybbs.com.br/arnaldo/
www.sfv.de/sstartp.htm
www.sun-consult.de/portugues.html
http://www.sbpe.org.br/v8n2/v8n2a2.htm
http://www.aondevamos.eng.br/galeria/artigos.htm
http://www.ebanataw.com.br/roberto/energia/ener7.htm
http://www.terravista.pt/enseada/4804/Mainsolar.htm
http://www.ecen.com/eee17/emisterm.htm
http://www.ufpa.br/numa/numainforma/energia_sol.htm
http://www.cresesb.cepel.br

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