Substância húmica - Humic substance

As substâncias húmicas são compostos orgânicos que são componentes importantes do húmus , a principal fração orgânica do solo , turfa e carvão (e também um constituinte de muitos riachos de planalto , lagos distróficos e água do oceano ). Por uma longa era nos séculos 19 e 20, as substâncias húmicas eram frequentemente vistas através das lentes da teoria ácido-base que descrevia os ácidos húmicos , como ácidos orgânicos , e suas bases conjugadas , humatas , como componentes importantes dematéria orgânica . Através deste ponto de vista, os ácidos húmicos foram definidos como substâncias orgânicas extraídas do solo que coagulam (formam pequenos pedaços sólidos) quando um extrato de base forte é acidificado , enquanto os ácidos fúlvicos são ácidos orgânicos que permanecem solúveis (permanecem dissolvidos) quando um extrato de base forte é acidificado.

A matéria húmica isolada é o resultado de uma extração química da matéria orgânica do solo ou da matéria orgânica dissolvida e representam as moléculas húmicas distribuídas no solo ou na água. Uma nova compreensão vê as substâncias húmicas não como macropolímeros de alto peso molecular, mas como componentes moleculares heterogêneos e relativamente pequenos da matéria orgânica do solo auto-montados em associações supramoleculares e compostos de uma variedade de compostos de origem biológica e sintetizados por reações abióticas e bióticas no solo. É a grande complexidade molecular do húmus do solo que confere à matéria húmica sua bioatividade no solo e seu papel como promotor de crescimento vegetal.

Visão tradicional de formação e descrição

A formação de substâncias húmicas na natureza é um dos aspectos menos compreendidos da química do húmus e um dos mais intrigantes. Existem três teorias principais para explicá-lo: a teoria da lignina de Waksman (1932), a teoria dos polifenóis e a teoria da condensação açúcar-amina de Maillard (1911). Essas teorias são insuficientes para dar conta das observações na pesquisa do solo. As substâncias húmicas são formadas pela degradação microbiana de matéria vegetal morta , como a lignina e o carvão . As substâncias húmicas em laboratório são muito resistentes a maior biodegradação. As propriedades e estrutura precisas de uma determinada amostra dependem da fonte de água ou solo e das condições específicas de extração. No entanto, as propriedades médias das substâncias húmicas produzidas em laboratório de diferentes fontes são notavelmente semelhantes.

As substâncias húmicas nos solos e sedimentos podem ser divididas em três frações principais: ácidos húmicos, ácidos fúlvicos e humina . Sua presença e abundância relativa são inferidas por extração em laboratório, um processo que altera sua forma original irreconhecível. Os ácidos húmico e fúlvico são extraídos como um sol coloidal do solo e outras fontes de fase sólida em uma solução aquosa fortemente básica de hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio . Os ácidos húmicos são precipitados a partir desta solução ajustando o pH para 1 com ácido clorídrico , deixando os ácidos fúlvicos em solução. Esta é a distinção operacional entre os ácidos húmico e fúlvico. A humina é insolúvel em álcali diluído. A porção solúvel em álcool da fração húmica é, em geral, denominada ácido úlmico . Os chamados "ácidos húmicos cinza" (GHA) são solúveis em meios alcalinos de baixa força iônica; "ácidos húmicos marrons" (BHA) são solúveis em condições alcalinas, independentemente da força iônica; e os ácidos fúlvicos (FA) são solúveis independentemente do pH e da força iônica.

O húmus na natureza é produzido pela biodegradação de tecidos de organismos mortos e, portanto, é quase um sinônimo de matéria orgânica ; as distinções entre os dois muitas vezes não são feitas de forma precisa e consistente.

O ácido húmico, conforme tradicionalmente produzido em laboratório, não é um único ácido ; em vez disso, é uma mistura complexa de muitos ácidos diferentes contendo grupos carboxila e fenolato de modo que a mistura se comporte funcionalmente como um ácido dibásico ou, ocasionalmente, como um ácido tribásico . O ácido húmico usado para corrigir o solo é fabricado usando os mesmos procedimentos bem estabelecidos. Os ácidos húmicos podem formar complexos com íons que são comumente encontrados no ambiente, criando colóides húmicos . Os ácidos húmicos são insolúveis em água em pH ácido, enquanto os ácidos fúlvicos também são derivados de substâncias húmicas, mas são solúveis em água em toda a faixa de pH. Os ácidos húmico e fúlvico são comumente usados ​​como suplemento do solo na agricultura e, menos comumente, como suplemento nutricional humano. Como suplemento nutricional, o ácido fúlvico pode ser encontrado na forma líquida como um componente de colóides minerais. Os ácidos fúlvicos são polieletrólitos e são coloides únicos que se difundem facilmente através das membranas, enquanto todos os outros coloides não.

Um fracionamento químico sequencial chamado Humeomics pode ser usado para isolar frações húmicas mais homogêneas e determinar suas estruturas moleculares por métodos espectroscópicos e cromatográficos avançados. As substâncias identificadas em extratos húmicos e diretamente no solo incluem ácidos mono-, di- e tri- hidroxi , ácidos graxos , ácidos dicarboxílicos , álcoois lineares, ácidos fenólicos , terpenóides , carboidratos e aminoácidos.

Crítica

Os produtos da decomposição de materiais vegetais mortos formam associações íntimas com minerais, tornando difícil isolar e caracterizar os constituintes orgânicos do solo. Químicos de solo do século 18 usaram com sucesso a extração alcalina para isolar uma parte dos constituintes orgânicos do solo. Isso levou à teoria de que um processo de 'humificação' criava 'substâncias húmicas'; mais comumente 'ácido húmico', 'ácido fúlvico' e 'humina'. No entanto, essas substâncias húmicas não foram observadas no solo. Embora a teoria da 'humificação' não seja sustentada por evidências, "a teoria subjacente persiste na literatura contemporânea, incluindo os livros didáticos atuais." As tentativas de redefinir 'substâncias húmicas' em termos válidos resultaram em uma proliferação de definições incompatíveis, "com implicações de longo alcance além de nossa capacidade de comunicar propriedades e processos de solo cientificamente precisos".

Características químicas das substâncias húmicas na natureza

Desde os primórdios da química moderna, as substâncias húmicas estão entre as mais estudadas entre os materiais naturais. Apesar do longo estudo, sua estrutura molecular e química permanecem indefinidas. A visão tradicional é que as substâncias húmicas são heteropolicondensados, em associações variáveis ​​com a argila. Uma visão mais recente é que moléculas relativamente pequenas também desempenham um papel. As substâncias húmicas respondem por 50 a 90% da capacidade de troca catiônica . Semelhante à argila, o carvão vegetal e o húmus coloidal contêm nutrientes de cátions. {{ em construção }}

Características químicas de substâncias húmicas tradicionalmente produzidas

Exemplo de um ácido húmico típico, tendo uma variedade de componentes, incluindo quinona , fenol , catecol e porções de açúcar

Uma substância húmica típica é uma mistura de muitas moléculas, algumas das quais são baseadas em um motivo de núcleos aromáticos com substituintes fenólicos e carboxílicos , ligados entre si; a ilustração mostra uma estrutura típica. Os grupos funcionais que mais contribuem para a carga superficial e reatividade das substâncias húmicas são os grupos fenólicos e carboxílicos. Os ácidos húmicos se comportam como misturas de ácidos dibásicos, com um valor de pK 1 em torno de 4 para protonação de grupos carboxila e em torno de 8 para protonação de grupos fenolato. Existe uma semelhança geral considerável entre os ácidos húmicos individuais. Por este motivo, os valores de pK medidos para uma determinada amostra são valores médios relativos às espécies constituintes. A outra característica importante é a densidade de carga . As moléculas podem formar uma estrutura supramolecular mantida unida por forças não covalentes , como a força de van der Waals , ligações π-π e CH-π.

A presença de grupos carboxilato e fenolato dá aos ácidos húmicos a capacidade de formar complexos com íons como Mg 2+ , Ca 2+ , Fe 2+ e Fe 3+ . Muitos ácidos húmicos têm dois ou mais desses grupos dispostos de forma a permitir a formação de complexos quelatos . A formação de complexos (quelatos) é um aspecto importante do papel biológico dos ácidos húmicos na regulação da biodisponibilidade de íons metálicos.

Determinação de ácidos húmicos em amostras de água

A presença de ácido húmico na água destinada ao uso potável ou industrial pode ter um impacto significativo na tratabilidade dessa água e no sucesso dos processos de desinfecção química . Por exemplo, os ácidos húmico e fúlvico podem reagir com os produtos químicos usados ​​no processo de cloração para formar subprodutos da desinfecção, como os dihaloacetonitrilos, que são tóxicos para os humanos. Métodos precisos de estabelecer as concentrações dos ácidos húmicos são, portanto, essencial para manter o abastecimento de água, especialmente de sequeiro peaty captação em climas temperados.

Como muitas moléculas bio-orgânicas diferentes em associações físicas muito diversas são misturadas em ambientes naturais, é complicado medir suas concentrações exatas na superestrutura húmica. Por esse motivo, as concentrações de ácido húmico são tradicionalmente estimadas a partir das concentrações de matéria orgânica (normalmente de concentrações de carbono orgânico total (TOC) ou carbono orgânico dissolvido (DOC).

Os procedimentos de extração são obrigados a alterar algumas das ligações químicas presentes nas substâncias húmicas do solo (principalmente ligações de éster em biopoliésteres, como cutinas e suberinas). Os extratos húmicos são compostos por um grande número de diferentes moléculas bio-orgânicas que ainda não foram totalmente separadas e identificadas. No entanto, classes únicas de biomoléculas residuais foram identificadas por extrações seletivas e fracionamento químico e são representadas por ácidos alcanóicos e hidroxialcanóicos, resinas, ceras, resíduos de lignina, açúcares e peptídeos.

Efeitos ecológicos

Os corretivos de matéria orgânica do solo são conhecidos pelos agricultores como benéficos para o crescimento das plantas há mais tempo do que a história registrada. No entanto, a química e a função da matéria orgânica têm sido um assunto de controvérsia desde que os humanos começaram a postular sobre isso no século XVIII. Até a época de Liebig , supunha-se que o húmus era usado diretamente pelas plantas, mas, depois que Liebig mostrou que o crescimento das plantas depende de compostos inorgânicos, muitos cientistas do solo sustentaram que a matéria orgânica era útil para a fertilidade apenas quando era decomposta com a liberação de seus elementos nutrientes constituintes em formas inorgânicas. Atualmente, os cientistas do solo têm uma visão mais holística e pelo menos reconhecem que o húmus influencia a fertilidade do solo por meio de seu efeito na capacidade de retenção de água do solo. Além disso, como foi demonstrado que as plantas absorvem e translocam as moléculas orgânicas complexas dos inseticidas sistêmicos, elas não podem mais desacreditar a ideia de que as plantas podem ser capazes de absorver as formas solúveis de húmus; este pode, de fato, ser um processo essencial para a absorção de óxidos de ferro insolúveis.

Um estudo sobre os efeitos do ácido húmico no crescimento das plantas foi conduzido na Ohio State University, que disse em parte "os ácidos húmicos aumentaram o crescimento das plantas" e que houve "respostas relativamente grandes em taxas de aplicação baixas".

Um estudo de 1998 realizado por cientistas da Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida da Universidade Estadual da Carolina do Norte mostrou que a adição de humate ao solo aumentou significativamente a massa da raiz em relva rasteira.

Um estudo de 2018 realizado por cientistas da Universidade de Alberta mostrou que os ácidos húmicos podem reduzir a infectividade do príon em experimentos de laboratório, mas que esse efeito pode ser incerto no ambiente devido aos minerais no solo que tamponam o efeito.

Aplicações tecnológicas

As capacidades de ligação de metais pesados ​​dos ácidos húmicos foram exploradas para desenvolver tecnologias de remediação para a remoção de metais pesados ​​de águas residuais. Para tanto, Yurishcheva et al. nanopartículas magnéticas revestidas com ácidos húmicos. Depois de capturar os íons de chumbo, as nanopartículas podem ser capturadas usando um ímã.

Alvenaria antiga

A arqueologia descobriu que o antigo Egito usava tijolos de barro reforçados com palha e ácidos húmicos.

Geologia econômica

Em geologia econômica, o termo humate se refere a materiais geológicos, como leitos de carvão , mudrock ou material de poros em arenitos , que são ricos em ácidos húmicos. Humate foi extraído da Formação Fruitland do Novo México para uso como corretivo do solo desde os anos 1970, com quase 60.000 toneladas métricas produzidas até 2016. Os depósitos de Humate também podem desempenhar um papel importante na gênese dos corpos de minério de urânio.

Veja também

Referências

links externos

Leitura adicional

  • Hessen, DO; Tranvik, LJ (Editores) (1998). Substâncias húmicas aquáticas: ecologia e biogeoquímica . Berlim: Springer. ISBN 978-3-540-63910-7.CS1 maint: extra text: authors list (link)
  • Sillanpää, M. (Ed.) Natural Organic Matter in Water, Characterization and Treatment Methods ISBN  9780128015032