Sustancia húmica
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Las sustancias húmicas son compuestos orgánicos que son componentes importantes del humus , la principal fracción orgánica del suelo , la turba y el carbón (y también un componente de muchos arroyos de tierras altas , lagos distróficos y agua de los océanos ). Durante una larga era en los siglos XIX y XX, las sustancias húmicas a menudo se vieron a través de la lente de la teoría ácido-base que describía los ácidos húmicos , como ácidos orgánicos , y sus bases conjugadas , los humatos , como componentes importantes demateria orgánica . Desde este punto de vista, los ácidos húmicos se definieron como sustancias orgánicas extraídas del suelo que coagulan (forman pequeños trozos sólidos) cuando se acidifica un extracto de base fuerte , mientras que los ácidos fúlvicos son ácidos orgánicos que permanecen solubles (permanecen disueltos) cuando se acidifica un extracto de base fuerte. acidificado.

La materia húmica aislada es el resultado de una extracción química de la materia orgánica del suelo o la materia orgánica disuelta y representan las moléculas húmicas distribuidas en el suelo o el agua. [1] [2] [3] Un nuevo entendimiento considera las sustancias húmicas no como macropolímeros de alto peso molecular sino como componentes moleculares heterogéneos y relativamente pequeños de la materia orgánica del suelo autoensamblados en asociaciones supramoleculares y compuestos de una variedad de compuestos de origen biológico y sintetizado por reacciones abióticas y bióticas en el suelo. [4] Es la gran complejidad molecular del humeoma del suelo [5] lo que confiere a la materia húmica su bioactividad en el suelo y su papel como promotor del crecimiento de las plantas. [6]

Visión tradicional de formación y descripción.

La formación de sustancias húmicas en la naturaleza es uno de los aspectos menos comprendidos de la química del humus y uno de los más intrigantes. Hay tres teorías principales para explicarlo: la teoría de la lignina de Waksman (1932), la teoría de los polifenoles y la teoría de la condensación de azúcar-amina de Maillard (1911). [7] [8] Esas teorías son insuficientes para dar cuenta de las observaciones en la investigación de suelos. [9] Las sustancias húmicas se forman por la degradación microbiana de la materia vegetal muerta , como la lignina y el carbón vegetal . [10] [11]Las sustancias húmicas en el laboratorio son muy resistentes a una mayor biodegradación. Las propiedades precisas y la estructura de una muestra determinada dependen de la fuente de agua o suelo y de las condiciones específicas de extracción. Sin embargo, las propiedades promedio de las sustancias húmicas producidas en el laboratorio de diferentes fuentes son notablemente similares.

Las sustancias húmicas en suelos y sedimentos se pueden dividir en tres fracciones principales: ácidos húmicos, ácidos fúlvicos y humina . Su presencia y abundancia relativa se infiere mediante extracción de laboratorio, un proceso que altera su forma original más allá del reconocimiento. Los ácidos húmicos y fúlvicos se extraen como un sol coloidal del suelo y otras fuentes de fase sólida en una solución acuosa fuertemente básica de hidróxido de sodio o hidróxido de potasio . Los ácidos húmicos se precipitan de esta solución ajustando el pH a 1 con ácido clorhídrico., dejando los ácidos fúlvicos en solución. Ésta es la distinción operativa entre ácidos húmicos y fúlvicos. Humin es insoluble en álcali diluido. La porción soluble en alcohol de la fracción húmica se denomina, en general, ácido úlmico . Los llamados "ácidos húmicos grises" (GHA) son solubles en medios alcalinos de baja fuerza iónica; Los "ácidos húmicos marrones" (BHA) son solubles en condiciones alcalinas independientemente de la fuerza iónica; y los ácidos fúlvicos (FA) son solubles independientemente del pH y la fuerza iónica. [12]

El humus en la naturaleza se produce por biodegradación de tejidos de organismos muertos y, por lo tanto, es aproximadamente sinónimo de materia orgánica ; Las distinciones entre los dos a menudo no se hacen de forma precisa y coherente.

El ácido húmico, como se produce tradicionalmente en un laboratorio, no es un solo ácido ; más bien, es una mezcla compleja de muchos ácidos diferentes que contienen grupos carboxilo y fenolato de modo que la mezcla se comporta funcionalmente como un ácido dibásico o, ocasionalmente, como un ácido tribásico . El ácido húmico utilizado para enmendar el suelo se fabrica utilizando estos mismos procedimientos bien establecidos. Los ácidos húmicos pueden formar complejos con iones que se encuentran comúnmente en el medio ambiente creando coloides húmicos . Los ácidos húmicos son insolubles en agua a pH ácido, mientras que los ácidos fúlvicos también se derivan de sustancias húmicas pero son solubles en agua en todo el rango de pH.[13] Los ácidos húmicos y fúlvicos se utilizan comúnmente como suplemento del suelo en la agricultura y, con menos frecuencia, como suplemento nutricional humano. [14] Como suplemento nutricional, el ácido fúlvico se puede encontrar en forma líquida como componente de coloides minerales. Los ácidos fúlvicos son polielectrolitos y son coloides únicosque se difunden fácilmente a través de las membranas, mientras que todos los demás coloides no lo hacen. [15]

Se puede utilizar un fraccionamiento químico secuencial llamado Humeomics para aislar fracciones húmicas más homogéneas y determinar sus estructuras moleculares mediante métodos espectroscópicos y cromatográficos avanzados. [16] Las sustancias identificadas en los extractos húmicos y directamente en el suelo incluyen mono-, di-, y tri- hidroxiácidos , ácidos grasos , ácidos dicarboxílicos , alcoholes lineales, ácidos fenólicos , terpenoides , hidratos de carbono y aminoácidos. [17]

Crítica

Los productos de descomposición de los materiales vegetales muertos forman asociaciones íntimas con los minerales, lo que dificulta el aislamiento y la caracterización de los componentes orgánicos del suelo. Los químicos del suelo del siglo XVIII utilizaron con éxito la extracción alcalina para aislar una parte de los componentes orgánicos del suelo. Esto llevó a la teoría de que un proceso de "humificación" creaba "sustancias húmicas"; más comúnmente 'ácido húmico', 'ácido fúlvico' y 'humin'. [18] Sin embargo, estas sustancias húmicas no se han observado en el suelo. Aunque la teoría de la 'humificación' no está respaldada por pruebas, "la teoría subyacente persiste en la literatura contemporánea, incluidos los libros de texto actuales". [19]Los intentos de redefinir las 'sustancias húmicas' en términos válidos han resultado en una proliferación de definiciones incompatibles, "con implicaciones de gran alcance más allá de nuestra capacidad para comunicar los procesos y propiedades del suelo científicamente precisos". [20]

Características químicas de las sustancias húmicas en la naturaleza.

Desde los albores de la química moderna, las sustancias húmicas se encuentran entre las más estudiadas entre los materiales naturales. A pesar de un largo estudio, su estructura molecular y química sigue siendo difícil de alcanzar. La opinión tradicional es que las sustancias húmicas son heteropolicondensados, en diversas asociaciones con la arcilla. [21] Una visión más reciente es que las moléculas relativamente pequeñas también juegan un papel. [22] Las sustancias húmicas representan del 50 al 90% de la capacidad de intercambio catiónico . Al igual que la arcilla, el carbón vegetal y el humus coloidal retienen los nutrientes catiónicos. [23] {{ en construcción }}

Características químicas de las sustancias húmicas producidas tradicionalmente

Ejemplo de un ácido húmico típico, que tiene una variedad de componentes que incluyen quinona , fenol , catecol y restos de azúcar [24]

Una sustancia húmica típica es una mezcla de muchas moléculas, algunas de las cuales se basan en un motivo de núcleos aromáticos con sustituyentes fenólicos y carboxílicos , unidos entre sí; la ilustración muestra una estructura típica. Los grupos funcionales que más contribuyen a la carga superficial y la reactividad de las sustancias húmicas son los grupos fenólicos y carboxílicos. [24] Los ácidos húmicos se comportan como mezclas de ácidos dibásicos, con un valor de pK 1 alrededor de 4 para la protonación de grupos carboxilo y alrededor de 8 para la protonación de grupos fenolato. Existe una similitud general considerable entre los ácidos húmicos individuales. [25]Por esta razón, los valores de pK medidos para una muestra dada son valores promedio relacionados con las especies constituyentes. La otra característica importante es la densidad de carga . Las moléculas pueden formar una estructura supramolecular unida por fuerzas no covalentes , como la fuerza de van der Waals , los enlaces π-π y CH-π. [22]

La presencia de grupos carboxilato y fenolato da a los ácidos húmicos la capacidad de formar complejos con iones como Mg 2+ , Ca 2+ , Fe 2+ y Fe 3+ . Muchos ácidos húmicos tienen dos o más de estos grupos dispuestos para permitir la formación de complejos de quelatos . [26] La formación de complejos (quelatos) es un aspecto importante del papel biológico de los ácidos húmicos en la regulación de la biodisponibilidad de los iones metálicos. [25]

Determinación de ácidos húmicos en muestras de agua.

La presencia de ácido húmico en el agua destinada a uso potable o industrial puede tener un impacto significativo en la tratabilidad de esa agua y el éxito de los procesos de desinfección química . Por ejemplo, los ácidos húmicos y fúlvicos pueden reaccionar con los productos químicos utilizados en el proceso de cloración para formar subproductos de desinfección como los dihaloacetonitrilos, que son tóxicos para los seres humanos. [27] [28] Por lo tanto, los métodos precisos para establecer las concentraciones de ácido húmico son esenciales para mantener los suministros de agua, especialmente de las cuencas de captación de turberas de tierras altas en climas templados.

Como muchas moléculas bioorgánicas diferentes en asociaciones físicas muy diversas se mezclan en ambientes naturales, es engorroso medir sus concentraciones exactas en la superestructura húmica. Por esta razón, las concentraciones de ácido húmico se calculan tradicionalmente a partir de concentraciones de materia orgánica (típicamente a partir de concentraciones de carbono orgánico total (TOC) o carbono orgánico disuelto (DOC).

Los procedimientos de extracción están destinados a alterar algunos de los enlaces químicos presentes en las sustancias húmicas del suelo (principalmente enlaces éster en biopoliésteres como cutinas y suberinas). Los extractos húmicos están compuestos por una gran cantidad de diferentes moléculas bioorgánicas que aún no han sido totalmente separadas e identificadas. Sin embargo, se han identificado clases únicas de biomoléculas residuales mediante extracciones selectivas y fraccionamiento químico, y están representadas por ácidos alcanoicos e hidroxi alcanoicos, resinas, ceras, residuos de lignina, azúcares y péptidos.

Efectos ecologicos

Los agricultores han sabido que las enmiendas de suelo de materia orgánica son beneficiosas para el crecimiento de las plantas durante más tiempo del registrado en la historia. [29] Sin embargo, la química y la función de la materia orgánica han sido objeto de controversia desde que los humanos comenzaron a postular sobre ella en el siglo XVIII. Hasta la época de Liebig , se suponía que las plantas usaban humus directamente, pero, después de que Liebig demostrara que el crecimiento de las plantas depende de compuestos inorgánicos, muchos científicos del suelo sostuvieron la opinión de que la materia orgánica era útil para la fertilidad solo cuando se descomponía con la liberación de sus elementos nutritivos constituyentes en formas inorgánicas. En la actualidad, los científicos del suelo tienen una visión más holística y al menos reconocen que el humus influye en la fertilidad del suelo.a través de su efecto sobre la capacidad de retención de agua del suelo. Además, dado que se ha demostrado que las plantas absorben y trasladan las complejas moléculas orgánicas de los insecticidas sistémicos, ya no pueden desacreditar la idea de que las plantas puedan absorber las formas solubles de humus; [30] De hecho, esto puede ser un proceso esencial para la absorción de óxidos de hierro que de otro modo serían insolubles.

En la Universidad Estatal de Ohio se realizó un estudio sobre los efectos del ácido húmico en el crecimiento de las plantas, que dijo que en parte "los ácidos húmicos aumentaron el crecimiento de las plantas" y que hubo "respuestas relativamente grandes a tasas de aplicación bajas". [31]

Un estudio de 1998 realizado por científicos de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida de la Universidad Estatal de Carolina del Norte mostró que la adición de humato al suelo aumentaba significativamente la masa de raíces en el césped bentgrass rastrero. [32] [33]

Un estudio de 2018 realizado por científicos de la Universidad de Alberta mostró que los ácidos húmicos pueden reducir la infectividad de los priones en experimentos de laboratorio, pero que este efecto puede ser incierto en el medio ambiente debido a los minerales en el suelo que amortiguan el efecto. [34]

Aplicaciones tecnológicas

Las capacidades de unión de metales pesados ​​de los ácidos húmicos se han aprovechado para desarrollar tecnologías de remediación para eliminar metales pesados ​​de las aguas residuales. Con este fin, Yurishcheva et al. nanopartículas magnéticas recubiertas con ácidos húmicos. Después de capturar los iones de plomo, las nanopartículas se pueden capturar con un imán. [35]

Albañilería antigua

La arqueología encuentra que el antiguo Egipto usaba ladrillos de barro reforzados con paja y ácidos húmicos. [36]

Geología económica

En geología económica, el término humato se refiere a materiales geológicos, como capas de carbón erosionadas , rocas de barro o material de poros en areniscas , que son ricos en ácidos húmicos. El humato se ha extraído de la Formación Fruitland de Nuevo México para su uso como enmienda del suelo desde la década de 1970, con casi 60.000 toneladas métricas producidas en 2016. [37] Los depósitos de humato también pueden desempeñar un papel importante en la génesis de los cuerpos de mineral de uranio. [38]

Ver también

  • Humus
  • Tierra

Referencias

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enlaces externos

  • Sistemas húmicos supramoleculares en el medio ambiente (en inglés, el original es italiano)

Otras lecturas

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