Metodologias científicas baseadas em isótopos revelam a procedência de alimentos, animais e recursos florestais, ampliando o combate a fraudes e crimes ambientais
Nas últimas décadas, a ciência tem desenvolvido diferentes técnicas para identificar e analisar elementos químicos presentes em materiais de origem humana, florestal, animal e vegetal, além de substâncias que compõem alimentos, bebidas, bens culturais e até documentos. Entre as metodologias utilizadas para determinar a origem, diferenciar e rastrear esses materiais, estão as análises baseadas em isótopos, que se dividem em estáveis e radioativos, sendo este último utilizado na medicina nuclear.
A metodologia isotópica e suas múltiplas aplicações vêm se consolidando como uma importante ferramenta, contribuindo para a elucidação de crimes de diferentes naturezas e para estudos relacionados à autenticidade, identificação e rastreabilidade de produtos derivados da agropecuária e do manejo de recursos florestais, produzidos em diferentes partes e biomas do país.
Para determinação de origem e identificação, são aplicadas técnicas de amostragem e interpretação de dados dos elementos-traço do material analisado, o que permite estabelecer uma relação do passado e história da amostra, ou histórico de vida dos animais, humanos ou produtos florestais, por exemplo. Isso só é possível porque, assim como os elementos da natureza e o nosso corpo, tudo deixa, literalmente, “assinaturas” químicas.
Por meio da análise isotópica, pesquisadores conseguem determinar origens geográficas, identificar fraudes e reconhecer características químicas específicas de diversas substâncias presentes na natureza e que criam essas “assinaturas”, como em animais, humanos, bebidas, comidas, bens culturais e obras de arte. Mas, afinal, o que são isótopos estáveis e radioativos?
Para entender as denominações de origem, segundo o pesquisador e professor Dr. Vladimir Eliodoro, do Centro de Isótopos Estáveis “Prof. Dr. Carlos Ducatti” (CIE) da Universidade Estadual Paulista (UNESP), os isótopos são divididos em dois grupos: os que emitem radiação e os que não emitem. “Esses que não emitem radiação são os isótopos estáveis. É a meia-vida do elemento químico que vai dizer se ele é estável ou não. A gente classifica um isótopo estável como aquele que tem uma meia-vida muito grande. É tão grande que ele nunca decaiu”, explica, em entrevista ao RastreIA.
Os isótopos estáveis são, assim, variantes de um elemento químico que têm o mesmo número de prótons em seus núcleos, se diferenciando no número de nêutrons. O número de prótons é a “impressão digital” de um elemento químico.
Segundo o pesquisador, esses isótopos são importantes ferramentas para o estudo da formação e da composição dos organismos vivos. Entre os mais utilizados estão os chamados isótopos leves, como os de hidrogênio, oxigênio, carbono, nitrogênio e enxofre, elementos amplamente presentes no corpo humano e em outros seres vivos, por exemplo.
Conhecidos como bioelementos, tais elementos respondem por cerca de 95% da composição da matéria viva. De acordo com o Eliodoro, cada um deles possui ao menos um isótopo estável menos abundante, característica que gera “assinaturas isotópicas” específicas e permite rastrear diferentes processos biológicos e ambientais.
“Para cada um desses elementos, a gente tem pelo menos um isótopo estável menos abundante. Isso acaba dando uma assinatura isotópica diferente. Sabendo essas assinaturas isotópicas de plantas [por exemplo], temos uma forma de conseguir rastrear a origem dessas plantas e, consequentemente, também de animais que se alimentam [delas] naquelas regiões”, esclarece o pesquisador.
Desse modo, os isótopos de um mesmo elemento apresentam abundâncias distintas na natureza e funcionam como traçadores dos caminhos percorridos pelos elementos que compõem os organismos vivos. Enquanto os estáveis não sofrem alteração, os radiativos decaem ao longo do tempo.
Conhecidos também como radioisótopos, os isótopos radioativos decaem com o passar do tempo para darem origem a novos elementos. Isso acontece porque cada radioisótopo é, por um período, de tempo chamado “meia-vida”, tempo em que os átomos instáveis sofrerem decaimento radioativo. Atualmente, a produção nacional de radioisótopos ocorre no reator IEA-R1, instalado no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), para pesquisa especificamente na área na saúde, e no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN/CNEN), em Minas Gerais.
Para a pesquisadora do Ipen, Dra. Cibele Zamboni, os átomos de um mesmo elemento apresentam comportamento químico semelhante, mas podem variar em propriedades físicas que influenciam desde sua estabilidade nuclear até suas aplicações práticas. Segundo ela, os isótopos radioativos emitem radiação à medida que buscam alcançar uma determinada estabilidade. “Embora possam ser perigosos em grandes doses, os radioisótopos são utilizados em diversas áreas”, explica.
Zamboni também considera que a análise isotópica fornece combustível adicional para análises de elementos-traço presentes em determinada região de referência para conclusões científicas quanto à procedência da amostra. “Metodologias isotópicas são técnicas que utilizam as diferentes proporções de isótopos (estáveis ou radioativos) para investigar, por exemplo, a origem de materiais geológicos e ambientais. Unir informações procedentes de aplicações com isótopos auxiliam na discriminação por origem dessas commodities”, afirma a pesquisadora, que integra o RastreIA.
Uma história contada pelos átomos
A confirmação da existência dos átomos ainda no século XIX, marcou o início de uma longa trajetória científica voltada à compreensão da matéria. De acordo com Eliodoro, esse campo de investigação ganhou força especialmente durante a Segunda Guerra Mundial, quando os estudos sobre a estrutura atômica se aprofundaram. “Houve uma busca muito incessante sobre do que a gente é formado”, explica.
Desde então, o conhecimento acumulado nesse período não ficou restrito à física e à química: suas aplicações se estenderam às ciências da vida e da terra, contribuindo para avanços em diversas áreas de pesquisas, de acordo com o pesquisador. Para a determinação de origem de alimentos, diferentes técnicas foram sendo aplicadas em estudos para variados produtos, como pescados, carne, café, óleos de cozinha, mel, vinho, além de sucos de fruta.
No Brasil, o uso da metodologia de isótopos estáveis ganhou impulso a partir da década de 1960, especialmente com a criação do Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA), da Universidade de São Paulo (USP), instituição que atualmente sedia o RastreIA. Os primeiros avanços na área estiveram ligados ao Laboratório de Hidrologia Isotópica, dedicado a pesquisas agronômicas, e ao Laboratório de Ecologia Isotópica, pioneiro na aplicação de isótopos estáveis em estudos ambientais, como de produtos florestais.
Destaca-se também a criação, em 1956, do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), vinculado à Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), em importantes e pioneiras pesquisas em isótopos e radioisótopos no Brasil. Essas iniciativas lançaram as bases para o desenvolvimento de pesquisas com isótopos no país e contribuíram para a expansão de suas aplicações, como o Centro de Isótopos Estáveis (CIE), fundado em 1998 pelo professor Dr. Carlos Ducatti, na Unesp, em Botucatu, uma das principais referências na utilização da metodologia isotópica em diferentes áreas do conhecimento, incluindo aquelas voltadas à rastreabilidade, autenticidade e origem de alimentos e bebidas. No CIE, foi instalado o primeiro sistema de espectrometria de massas de razão isotópicas por fluxo contínuo (CF-IRMS) no Brasil.
A expansão das técnicas analíticas acompanhou os avanços e acesso à equipamentos e tecnologias de investigação, ampliando a capacidade de responder a questões complexas em áreas como ciências ambientais, medicina, antropologia, geologia, patrimônio cultural e ciência alimentar. O financiamento público para diversas pesquisas foi o que permitiu obter equipamentos de análises isotópicas, como os Espectrômetros de Massa de Razão Isotópica (IRMS), que são equipamentos de altíssima precisão projetados para medir a abundância relativa de isótopos estáveis em uma única amostra.
No contexto forense, essas inovações têm fortalecido a criminalística brasileira, fornecendo ferramentas precisas para a identificação de fraudes e a produção de evidências científicas, contribuindo para a elucidação de crimes relacionados à adulteração de bebidas e alimentos, à falsificação de produtos e ao tráfico de animais silvestres e crimes ambientais.
Na avaliação da pesquisadora e professora do Departamento de Ecologia da Universidade de Brasília (UnB), Dra. Gabriela Bielefeld Nardotto, a conservação de espécies silvestres, por exemplo, é hoje uma questão ecológica e cultural, pois muitas aves ameaçadas de extinção são alvos frequentes do tráfico de animais pelo seu alto valor no chamado mercado negro.
“Uma das principais ferramentas hoje no Brasil é o uso de isótopos estáveis, em que a gente consegue saber se ele [o animal] veio de vida livre ou se já estava em algum cativeiro. E onde era esse cativeiro? Porque dependendo da água que esse animal está bebendo, vamos saber onde que era esse cativeiro”, destaca Nardotto.
O que os isótopos revelam sobre a origem
As técnicas isotópicas vêm se consolidando como uma ferramenta científica capaz de revelar os rastros químicos deixados pelos organismos vivos. Esses sinais, registrados na composição dos elementos químicos, funcionam como uma espécie de assinatura natural que permite identificar a origem geográfica, a procedência e até parte da trajetória de produtos e materiais biológicos, revelando a sua história.
Nas pesquisas desenvolvidas pelo RastreIA, essa abordagem tem sido aplicada para rastrear cadeias produtivas de commodities como carne bovina, madeira e soja, a partir das marcas químicas preservadas em seus tecidos. Para isso, os pesquisadores combinam a coleta de amostras em diferentes biomas brasileiros, análises laboratoriais com a construção de bancos de dados de referência. As informações obtidas são analisadas por métodos estatísticos e ferramentas de inteligência artificial (IA), capazes de identificar padrões e associá-los aos locais de origem.
A lógica por trás desse método está nos vestígios que o ambiente deixa nos seres vivos. Assim como o corpo humano carrega informações sobre sua composição química, plantas, animais e solos também registram características do meio em que se desenvolvem. Na carne bovina, por exemplo, a alimentação do animal influencia as relações isotópicas encontradas nos tecidos. Na madeira, fatores como clima e disponibilidade hídrica deixam marcas detectáveis. Já na soja, diferentes práticas agrícolas contribuem para a formação dessas assinaturas.
“Assinaturas isotópicas podem ser interpretadas como “impressões digitais” geradas por propriedades físico-químicas incorporadas nos tecidos vegetais dessas commodities. Podem ser afetadas por variação climática, variação geológica (tipo de solo), disponibilidade de água (índice pluviométrico) e as práticas agrícolas aplicadas no local de origem”, esclarece Zamboni.
O uso de isótopos também se mostra promissor nas investigações sobre a influência das mudanças climáticas registrada nos ecossistemas florestais, conforme explica Alexandre Gontijo, analista ambiental do Laboratório de Produtos Florestais (LPF) do Serviço Florestal Brasileiro (SFB).
Segundo Gontijo, as árvores registram em seus tecidos as características ambientais dos locais onde cresceram, funcionando como arquivos naturais capazes de revelar informações sobre o clima e a origem geográfica da madeira. Isso ocorre porque elementos como o oxigênio e o carbono existem em diferentes formas isotópicas, cuja proporção varia ao longo do ciclo da água. As árvores absorvem essa água durante seu crescimento e incorporam sua assinatura isotópica aos tecidos da madeira.
“Quando vemos o que consome essa água, sejam animais ou vegetais, a razão isotópica da água, de alguma maneira, será refletida nos tecidos daquele animal ou vegetal. E é isso que acontece com a madeira. Então, quando pegamos a madeira mais próxima da costa e extraímos o seu oxigênio, uma análise da razão isotópica daquele oxigênio em relação à fonte, vamos ver uma diferença e entender qual a faixa, ali na distância do mar, que encontramos essa madeira”, destaca Gontijo.
Para os pesquisadores entrevistados pelo RastreIA, uma maneira de avaliar a variabilidade espacial dos isótopos tem sido através da sua representação em mapas, conhecidos como isoscapes. Essa paisagem isotópica, como também são conhecidos esses mapas, permitem identificar regiões geográficas de origem com informações da geolocalização de uma amostra analisada.
“O uso de isótopos radioativos para rastreabilidade dessas commodities depende de mapas geoquímicos (isoscapes), de informações sobre a incorporação de elementos químicos do solo pelas cadeias tróficas, e de dados de referência de propriedade físico-químicas”, destaca a pesquisadora Dra. Cibele Zamboni.
Essa variação isotópica do local e da geografia também fornece dado quanto às condições ambientais do lugar em que a amostra foi coletada e, no caso da carne bovina, onde o animal foi criado. A partir de fatores como temperatura, mudanças climáticas, características do solo, entre outros, informações sobre as formas de vida de espécies animais, vegetais ou florestais vão sendo reveladas pela metodologia de análise isotópica.
O uso das isoscapes auxilia em medições isotópicas sistemáticas para a criação de um banco de dados que começa com a coleta das amostras, como carne, madeira ou soja, em locais com coordenadas geográficas conhecidas, que são analisadas em laboratório com diferentes técnicas, com seus resultados organizados em repositório para serem modelados com ferramentas de inteligência artificial (IA) e da geoestatística, ramo da estatística que considera que pontos geográficos próximos tendem a ser mais semelhantes entre si do que locais distantes, para prever a distribuição espacial dos isótopos.
“O resultado da modelagem compõe um mapa de probabilidade que delimita geograficamente as áreas mais prováveis onde a amostra se formou ou teve sua fase de desenvolvimento. Assim, a predição de origem (de uma determinada amostra/commodity) é obtida ao comparar a assinatura isotópica de uma amostra desconhecida com as estimativas desse mapa”, avalia Zamboni.
Para o pesquisador Dr. Vladimir Eliodoro (CIE/Unesp), o estudo dos isótopos constitui uma importante ferramenta para rastreabilidade e identificação. A técnica pode ser, ainda, aplicada em pesquisas sobre o metabolismo de humanos e animais, além de contribuir para a verificação da autenticidade e da procedência de alimentos.
Segundo Eliodoro, a análise da assinatura isotópica, como uma variação natural dos elementos químicos incorporada aos organismos e transferida aos produtos consumidos, permite determinar a origem de diferentes materiais e detectar possíveis fraudes. “É muito importante porque conseguimos rastrear não só a origem, mas também verificar se há fraudes ou falsificações. Um produto pode ser comercializado como orgânico, convencional ou proveniente de uma determinada região ou sistema de manejo, quando, na realidade, não é”, explica o pesquisador.
SOBRE RastreIA
O RastreIA é financiado pela FAPESP por meio do Projeto Temático “Transparência nas cadeias produtivas brasileiras de commodities agrícolas de exportação: Estudo holístico de marcadores elementares e isotópicos” (Processo: 22/12732-5). Sediado no Centro de Energia Nuclear na Agricultura da Universidade de São Paulo (CENA/USP), o Projeto desenvolve, em parceria com pesquisadores da Esalq/USP, Ipen e Embrapa, técnicas científicas para rastrear a origem geográfica de produtos como carne bovina, madeira e soja. A metodologia utiliza inteligência artificial, tecnologia nuclear e análise de assinaturas químicas desses produtos para determinar a sua origem geográfica.
