TRABAJO PRÁCTICO EDUCATIVO
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS REGIÓN XALAPA PROGRAMA EDUCATIVO: INGENIERÍA QUÍMICA “IMPORTANCIA DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS EN EL MANTENIMIENTO DE LA VIDA “ TRABAJO PRÁCTICO EDUCATIVO QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA: EXPERIENCIA RECEPCIONAL PRESENTA SHEYLA GUADALUPE DE LA ROSA MUÑOZ DIRECTOR DR. JOSÉ ANTONIO SERRANO CASILLAS Xalapa-Enríquez, Veracruz. Septiembre, 2015 AGRADECIMIENTOS A mi director de tesis por el apoyo que me brindo y por la oportunidad de conocer un tema nuevo con el cual trabajar y aprender; así como de sus enseñanzas, buen carácter, voluntad, tiempo y mucha paciencia empleado para ayudarme a culminar este trabajo, pero sobre todo, por haber encontrado en ti un amigo… Pepe Gracias. Agradezco a la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Veracruzana y a mis maestros de la carrera, por compartir sus conocimientos conmigo. A todos mis compañeros, amigos y personas que conocí durante estos años, fueron quienes me dieron experiencias, gratas durante La Facultad. DEDICATORIA A mi familia: Mamá, por tu amor incondicional. Mis hermanos: Miry, Tato, Nene y Memo que siempre me ha apoyado. Son ustedes el pilar fundamental de mi existencia. A Raúl porque eres mi compañero. Los amo. “Para llegar a ser sabio, es preciso querer experimentar ciertas vivencias, es decir, meterse en sus fauces. Eso es, ciertamente, muy peligroso; más de un sabio ha sido devorado al hacerlo”. Friedrich Nietzsche. ÍNDICE GENERAL INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. DEFINICIÓN (MATERIA ORGÁNICA Y HUMUS) ................................................ 2 1.1 GENERALIDADES .................................................................................................................. 3 1.2 ¿QUÉ ES EL HUMUS? ............................................................................................................ 4 1.3 ¿CUÁL ES LA DIFERENCIA ENTRE: MATERIA ORGÁNICA, HUMUS Y SUSTANCIAS HÚMICAS? .... 6 1.4 ¿CÓMO SE CLASIFICAN LAS SUSTANCIAS HÚMICAS? ............................................................. 7 1.4 CONCLUSION. .................................................................................................................... 12 capítulo 2. importancia de las sustancias húmicas ............................................................ 13 2.1 GENERALIDADES ................................................................................................................ 14 2.2 IMPORTANCIA AMBIENTAL ................................................................................................ 14 2.2.1 ¿Cuál es la importancia de las sustancias húmicas en las propiedades físicas del suelo? ................... 15 2.2.2 ¿Qué efectos causan las sustancias húmicas sobre las propiedades químicas del suelo? .................. 15 2.2.3 ¿Qué tipo de reacciones se llevan a cabo gracias a la relación entre el pH y la CIC? .......................... 17 2.2.4 ¿Cuál es la importancia de conocer éstas reacciones que se llevan a cabo en los suelos? ................. 18 2.2.5 ¿Qué efectos causan las reacciones redox en el sistema del suelo? ................................................... 19 2.2.6 Movilización e inmovilización de los elementos por REDOX. .............................................................. 19 2.2.7 ¿Cuál es la característica principal de los suelos ricos en sustancias húmicas?................................... 20 2.2.8 ¿Qué relación hay entre el N del suelo y el contenido de materia húmica? ....................................... 21 2.2.9 Conclusiones. ...................................................................................................................................... 21 2.3 IMPORTANCIA INDUSTRIAL ................................................................................................ 22 2.3.1 Producción de agroquímicos. ............................................................................................................... 23 capítulo 3. mineralización y humificación .......................................................................... 25 3.1 GENERALIDADES ................................................................................................................ 26 3.2 MINERALIZACIÓN ............................................................................................................... 27 3.2.1 ¿Qué nos indican los índices de mineralización? ................................................................................. 27 3.2.2 ¿Qué tipos de mineralización se pueden presentar?........................................................................... 28 3.2.3 ¿Cuánto tiempo se necesita para que ocurra la mineralización? ........................................................ 28 3.2.4 ¿Qué es la reorganización de los compuestos mineralizados? ............................................................ 29 3.2.5 ¿Cómo se lleva a cabo esta reorganización de los compuestos mineralizados? ................................. 29 3.2.6 FRACCIONAMIENTO, IDENTIFICACION Y ESTRUCTURA. ¿Las sustancias húmicas se fraccionan? ....... 31 3.2.7 En base a la morfología ¿Qué clasificación puede identificarse? ........................................................ 31 3.4 PROCESOS DE HUMIFICACIÓN. ........................................................................................... 34 3.4.1 Neoformación. .................................................................................................................................... 34 3.4.2 ¿Cuáles son las características de los compuestos húmicos con núcleos aromáticos? ....................... 34 3.4.3 ¿Qué son las huminas microbianas alifáticas? ..................................................................................... 35 3.4.4 ¿Qué es la humificación por herencia? ................................................................................................ 38 3.4.5 ¿Qué características tienen las huminas heredadas de humus ácidos? .............................................. 38 3.4.6 ¿Qué características tienen las huminas heredadas de humus mull carbonatados? .......................... 38 3.4.7 Ejemplos esquemáticos del proceso de humificación. ........................................................................ 40 3.4.8 Estabilización físicoquímica y maduración. .......................................................................................... 42 3.4.8.1 ¿Qué es la estabilización fisicoquímica de las sustancias húmicas? ................................................. 42 3.4.9 ¿Cómo se lleva a cabo el proceso de maduración? ............................................................................. 43 3.4.10 Clasificación bioquímica del humus. .................................................................................................. 43 3.4.11 ¿Qué espectros bioquímicos se consideran en la clasificación de los humus?.................................. 44 3.4.12 Formación y acción de las asociaciones órgano-minerales.............................................................. 47 3.4.13 ¿Qué influencia tiene el contenido de asociaciones órgano-minerales en arcilla y en cationes floculantes? ................................................................................................................................................... 48 3.4.14 ¿Qué influencia tiene el pH en el humus? ......................................................................................... 48 3.4.15 Ecología de la humificación. ............................................................................................................... 49 3.4.16 ¿Cómo afectan las condiciones ecológicas en relación a la formación de humus? ........................... 49 3.4.17 Conclusión. ........................................................................................................................................ 50 CAPÍTULO 4. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS. .............................. 51 4.1 GENERALIDADES. ............................................................................................................... 52 4.2 NATURALEZA QUÍMICA DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS. ...................................................... 52 4.2.1 ¿Cuál es la composición elemental de las sustancias húmicas? .......................................................... 52 4.2.2 ¿Qué tipo de núcleo se presenta en los ácidos húmicos? ................................................................... 53 4.2.3 ¿Cuál es la importancia del nitrógeno en los ácidos húmicos? ........................................................... 56 4.2.4 ¿Qué características dan los grupos funcionales a los ácidos húmicos? ............................................ 57 4.3 ESTRUCTURA DE LAS MOLÉCULAS DE ÁCIDOS HÚMICOS. ................................................... 58 4.3.1 ¿Cuáles son los principios en la estructura de estas moléculas de ácidos húmicos? .......................... 60 4.3.2 ¿Qué tipo de idea representa el esquema de Dragunov? .................................................. 62 4.3.3 ¿Las sustancias húmicas tienen una forma definida? ....................................................... 62 CAPÍTULO 5. PROCESO DE FORMACIÓN DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS ............................. 63 5.1 - GÉNESIS Y PROPIEDADES DE LAS MOLÉCULAS HÚMICAS. .................................................. 64 5.2 TRANSFORMACIÓN DE LOS PRECURSORES HÚMICOS. ......................................................... 65 5.2.1 ¿Qué relación tiene la ligninólisis con las sustancias húmicas? ........................................................... 65 5.2.2 ¿Qué es la condensación de polifenoles? ............................................................................................ 67 5.2.3 ¿A qué sustancias les llamamos compuestos heredados? .................................................................. 68 5.3 SÍNTESIS HÚMICA. ............................................................................................................. 68 5.3.1 ¿Qué participación tienen los compuestos nitrogenados? ................................................................. 69 5.3.2 ¿Cuál es la influencia de los polifenoles en las sustancias húmicas? ................................................... 69 5.3.2 ¿Qué características tienen el núcleo y las cadenas de una molécula húmica? ................................. 70 capitulo 6. CARACTERIZACIÓN DE LAS SUSTANCIAS HUMICAS ........................................... 72 6.1 GENERALIDADES ................................................................................................................ 73 6.1.1 ¿Qué extractantes se utilizan para la caracterización de sustancias húmicas? ................................... 73 6.1.2 ¿Qué materiales húmicos se obtienen de la extracción? .................................................................... 74 6.2 FRACCIONAMIENTO ........................................................................................................... 76 6.2.1 ¿Cuál es el resultado del fraccionamiento de las sustancias húmicas? ............................................... 76 6.2.2 ¿Qué características con respecto a la solubilidad se aprecian en las sustancias húmicas? ............... 79 6.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS. ............................................................ 80 6.3.2 ¿Qué técnicas son utilizadas para la caracterización de las sustancias húmicas? .............................. 80 PALABRAS CLAVE..................................................................................................................... 82 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 84 INDICE DE FIGURAS FIGURA.- 1 MATERIALES ORGÁNICOS DEL SUELO. ................................................................................................... 3 FIGURAN.- 2 FASES DE FORMACIÓN DEL SUELO. ..................................................................................................... 5 FIGURA.- 3 DIFERENCIAS DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS. ........................................................................................ 6 FIGURA.- 4 CARGAS VARIABLES EN LA MOLÉCULA HÚMICA POR DISOCIACIÓN DE PROTONES DE GRUPOS CARBOXÍLICOS A PH 3.0 Y DE GRUPOS FENÓLICOS - OH A PH 9.0 (TAN K. H., 2000) ................................... 16 FIGURA.- 5 DIAGRAMA DEL COMPLEJO HÚMICO ARCILLOSO. (BINGER, 1986) ..................................................... 18 FIGURA.- 6 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE UNA REACCIÓN REDOX DE ÁCIDO HÚMICO QUE MUESTRA LA TRANSFERENCIA DE ELECTRONES A UN METAL M (2+) (SPOSITO, 1984.) .................................................... 19 FIGURA.- 7. ESQUEMA DE LA FORMACIÓN DE LOS HUMUS NATURALES.(DUCHAUFOUR, EDAFOGÉNESIS Y CLASIFICACIÓN., 1984) .................................................................................................................................. 30 FIGURA.- 8 MORFOLOGÍA DE LOS TIPOS DE HUMUS, EN UN MEDIO AIREADO.(DUCHAUFOUR, EDAFOGÉNESIS Y CLASIFICACIÓN., 1984) .................................................................................................................................. 32 FIGURA.- 9 ESQUEMA DE LA HUMIFICACIÓN POR NEOFORMACIÓN (MULL ACTIVO).(BALANDREAU, 1975) ....... 37 FIGURA.- 10 CANTIDAD DE HUMINAS NEOFORMADAS Y ESTABILIZADAS EN DIFERENTES TIPOS DE SUELOS. ..... 39 FIGURA.- 11 ESQUEMA DEL PROCESO DE HUMIFICACIÓN: MULL ÁCIDO. EL CICLO DEL CARBONO SE LOCALIZA COMPLETAMENTE EN EL HORIZONTE A1.(TOUTAIN, 1974). ........................................................................ 40 FIGURA.- 12 ESQUEMA DEL PROCESO DE HUMIFICACIÓN: MODER. PARTE DE LOS COMPUESTOS INSOLUBILIZADOS EN A1, ES ARRASTRADA HACIA LOS HORIZONTES MINERALES. (TOUTAIN, 1974) ......... 41 FIGURA.- 13 ESPECTROS BIOQUÍMICOS MEDIOS DE CINCO TIPOS DE HUMUS.(HORIZONTE A1, MATERIA ORGÁNICA LIGADA. (DUCHAUFOUR, 1984) .................................................................................................. 45 FIGURA.- 14 PRODUCTOS DE DESCOMPOSICIÓN DE LOS ÁCIDOS HÚMICOS. (FLAIG, 1988) ................................. 54 FIGURA.- 15 MODELO DE LA ESTRUCTURA DE ÁCIDOS HÚMICOS.(SCHULTEN, 1992) .......................................... 59 FIGURA.- 16 ESTRUCTURA DE UNA MOLÉCULA HÚMICA SEGUN THIELE Y KETTNER, 1953 .................................. 60 FIGURA.- 17 MODELO MICROESTRUCTURAL SEGU RAKOVKY, 1963. .................................................................... 60 FIGURA.- 18 ESTRUCTURA DE LA MOLÉCULA DEL ÁCIDO HÚMICO.(1)NÚCLEO AROMATICO DEL TIPO FENOL DE DOS O 3 ÁTOMOS, DE LOS CUALES POSEE DOBLES ENLACES DE LOS GRUPOS QUINÓNICOS(2)NITROGENO EN FORMAS CÍCLICAS(3)NITRÓGENO DE LAS CADENAS PERIFÉRICAS(4)RESTOS DE CARBOHIDRATOS. DRAGUNOV, 1948. ........................................................................................................................................ 61 FIGURA.- 19 DEGRADACIÓN DE LAS CADENAS GUAYACIL-GLICEROL-B- CONIFERILICAS POR HONGOS LIGNOFILICOS (SEGÚN NORD, 1964 Y HAIDER Y MARTIN, 1967) ................................................................. 66 FIGURA.- 20 ESQUEMA DE LAS REACCIONES ENTRE AMINOÁCIDOS Y POLIFENOLES EN CONDICIONES OXIDANTES. (DUCHAUFOUR, 1984). ............................................................................................................. 67 FIGURA.- 21 ESQUEMA ESTRUCTURAL DE DOS MACROMOLÉCULAS DE TIPO HÚMICO. LADO IZQUIERDO: PM >50 000; LADO DERECHO: PM < 5 000 (SOLO LOS NUCLEOS ESTÁN REPRESENTADOS A ESCALA). (DUCHAUFOUR., 1984). ................................................................................................................................ 71 FIGURA.- 22 FRACCIONAMIENTO DE LAS SUATANCIAS HÚMICAS. (STEVENSON, 1994). ...................................... 76 FIGURA.- 23 AISLAMIENTO DE ÁCIDOS HÚMICOS Y FÚLVICOS POR ACHARD (1786). ........................................... 77 FIGURA.- 24 ESQUEMA DE FRACCIONAMIENTO DE SUSTANCIAS HÚMICAS SEGÚN SCHNITZER, 1972). .............. 78 INDICE DE TABLAS Tabla 1 Formas del humus, clasificación morfogénica.................................................... 7 Tabla 2. Clasificación de los ácidos húmicos................................................................ 9 Tabla 3. Clasificación de las sustancias húmicas por coloración y características químicas. 11 Tabla 4. Adsorción o atracción electrostática por ácidos húmicos (arriba), reacción compleja o quelación (centro), y el puente de agua o coadsorción (abajo). M+ = cationes con carga n- y R= resto de la molécula de ácido húmico..................................................................... Tabla 5. Valores característicos y grado de mineralización............................................... 17 Tabla 6 Clasificación bioquímica de los tipos de humus (I, II y III)…………………………… 46 Tabla 7 Clasificación bioquímica de los tipos de humus (IV)………………………………… 47 Tabla 8 Representación de la composición elemental de las sustancias vegetales y húmicas... 53 Tabla 9 Grupos funcionales presentes en las sustancias húmicas....................................... 57 Tabla 10 Extractantes para los constituyentes orgánicos del suelo...................................... 75 27 INTRODUCCIÓN El multidisciplinario enfoque de la investigación de la materia orgánica del suelo, tiene una gran importancia por el hecho de despertar interés de no sólo edafólogos y agrónomos, sino también de distintas disciplinas afines: biólogos de distintas tendencias, químicos (ingenieros químicos, como es en este caso), geólogos, geoquímicos, hidrólogos, investigadores de recursos combustibles minerales, investigadores del área ambiental, por mencionar algunos. A todo ello contribuye el reconocimiento de la enorme importancia de la materia orgánica en la formación y fertilidad del suelo. Siendo la causa del multilateral enfoque, la comunidad de los principios de formación de las sustancias húmicas y sus funciones en diferentes condiciones naturales. La idea del siguiente trabajo práctico educativo es precisamente la gran importancia de las sustancias húmicas y la divulgación reservada así como la interpretación bastante compleja de éste tema en especial, esperando que sea útil para los lectores que en uno u otro aspecto se interesen por el problema de la materia orgánica del suelo y humus. Al final se incluye un artículo donde se presentaran algunos aspectos discutibles del problema del humus del suelo. 1 CAPÍTULO 1. DEFINICIÓN (MATERIA ORGÁNICA Y HUMUS) 2 1.1 GENERALIDADES La parte orgánica del suelo representa en sí un sistema complejo de diversas sustancias; su dinamismo se determina por la incorporación al suelo de restos de origen vegetal y animal inalterados, sus productos de descomposición parcial, la fracción orgánica soluble y la materia orgánica estabilizada, conocida como humus(Stevenson, 1994). La transformación de estos bajo la acción de distintos grupos de microorganismos, así como de diversos representantes de la fauna. Algunas transformaciones de los restos orgánicos y de sus componentes (oxidación, hidrólisis, desintegración mecánica) pueden operarse bajo la acción directa de las precipitaciones atmosféricas, de la reacción ácida o básica del suelo, del viento, de los cambios de temperatura, etcétera. Los suelos varían ampliamente en sus contenidos en materia orgánica, el cual puede ir desde valores inferiores al 1% en suelos jóvenes o exhaustos por el cultivo intensivo y hasta 95% en algunas turberas profundas (Nannipieri et al., 1982). En la figura (1) se muestra una clasificación sencilla de la materia orgánica del suelo. Figura.- 1 Materiales orgánicos del suelo. (Drozd, 1996) 3 Toda la variedad de sustancias orgánicas del suelo puede ser sintetizada en dos grupos fundamentales. El primero está formado por restos orgánicos; representa los productos de su descomposición o los productos de la actividad vital (metabolismo y resíntesis) de la población viva. Este primer grupo está representado por compuestos conocidos en la química orgánica (proteínas y aminoácidos, hidratos de carbono simples y compuestos, ácidos orgánicos de distinta naturaleza, ceras, resinas, lignina y otros). En suma, los compuestos orgánicos de naturaleza individual constituyen en los suelos minerales aproximadamente el 10 – 15 % de la reserva total de materia orgánica. Sin embargo, la porción principal de la parte orgánica del suelo está representada por sustancias húmicas propiamente dichas, la formación de las cuales se verifica en procesos de complicadas transformaciones de los restos vegetales y animales de partida. Este grupo de sustancias constituye en los suelos minerales hasta el 85 – 90 % de la reserva total del humus. 1.2 ¿QUÉ ES EL HUMUS? El humus representa la fracción estable de la materia orgánica y podemos decir que está formado por dos grandes grupos: las sustancias no húmicas y las sustancias húmicas. Las sustancias no húmicas engloban a todos aquellos productos de composición química definida como polisacáridos y azúcares, proteínas y aminoácidos, grasas, ácidos orgánicos simples, mientras que las sustancias húmicas comprenden a un grupo de sustancias difícilmente clasificables, de color oscuro, muy resistentes al ataque microbiano, de alto peso molecular, de naturaleza coloidal y propiedades ácidas,(Stevenson, 1994). Las sustancias húmicas conforman la mayor parte de humus y la fracción no humificada está generalmente presente en una cantidad relativamente menor (Tan K. H., 1998), (Stevenson, 1994). Estos compuestos húmicos son los compuestos 4 químicamente más activos en los suelos con cargas eléctricas y capacidades de intercambio bastante altas siendo la materia húmica un componente de la construcción de los suelos. Es decir las sustancias húmicas son una mezcla de sustancias amorfas polidispersas y de compuestos predominantemente aromáticos, que van del color amarillo al marrón oscuro, son hidrófilas, ácidas y de alto peso molecular, que van desde varios cientos hasta miles de Dalton (unidades de masa atómica). Estos productos tienden a unirse en estructuras químicas complejas que son más estables que los compuestos originales (Schnitzer, 1978) . Se originan en la fracción orgánica descompuesta por una "nueva formación" llamada humificación, y por lo general se obtienen de los suelos por los procedimientos de extracción, fraccionamiento y aislamiento con soluciones básicas y ácidas. Estas sustancias se encuentran distribuidas no solo en el suelo sino que también se encuentran en el agua, los sedimentos marinos y de lagos, compost, turbas y lignitos,(MaCcarthy et al., 1990). Figuran.- 2 Fases de formación del suelo. (geo2010, 2010) 5 1.3 ¿CUÁL ES LA DIFERENCIA ENTRE: MATERIA ORGÁNICA, HUMUS Y SUSTANCIAS HÚMICAS? Se considera que la materia orgánica es la suma de todos los componentes que tienen como base el carbón, dentro de todo esto lo que se va transformando al mismo tiempo de la mineralización y humificación se va integrando al suelo y eso que se integra al suelo viene a ser el humus, Humus es materia orgánica integrada al suelo, pero dentro del humus empieza a haber una diferenciación, con el tiempo se van produciendo las sustancias húmicas y esas sustancias húmicas se diferencian básicamente en tres. Una es ácidos fúlvicos, otra son ácidos húmicos y tercero las huminas. La estructura de los ácidos fúlvicos se caracteriza por ser alifática, la de los ácidos húmicos es bencénica con centros aromáticos y la de las huminas está integrada a la matriz arcillosa del suelo es decir no se puede extraer aunque puede tener componentes que no sean sustancias húmicas tales como proteínas aminoácidos o carbohidratos, figura 3. Figura.- 3 Diferencias de las sustancias húmicas. 6 1.4 ¿CÓMO SE CLASIFICAN LAS SUSTANCIAS HÚMICAS? El humus se puede clasificar desde diversos puntos de vista. Los criterios más importantes para su clasificación son su morfología, formas en la naturaleza y su composición química. La clasificación morfogénica, propuesta por (Kubiena W.L., 1952) tabla 1. Se basa en los aspectos macro y micromorfológicos del humus en la naturaleza. Bajo las condiciones ecológicas específicas de un suelo se desarrolla un tipo determinado de vegetación y asimismo los restos que se depositan en el suelo tienen una composición específica; por acción de los microorganismos desarrollados en ese medio, finalmente se producen determinados tipos de humus. Tabla 1 Formas del humus, clasificación morfogénica. Formas del humus, clasificación morfogénica. Condición o régimen hídrico Condición nutritiva Subhídricas Semiterrestres Terrestres Distrofia “Dy” Turbera baja Humus bruto Oligotrofia “Gyttja” Turbera alta “Morder” Eutótrofia “Sapropel” “Anmoor” “Mull” (Kubiena W.L., 1952). De acuerdo al contenido de agua en un medio se pueden considerar condiciones subhídricas, semiterrestres y terrestres. Bajo condiciones nutritivas no muy favorables (distrofia) sólo se produce una acumulación de los restos vegetales y animales depositados en el suelo y su descomposición es muy limitada. Se conocen algunas formas de humus que aparecen en condiciones distróficas como el “dy”, las turberas y el humus bruto que dependen de las condiciones hídricas del suelo. 7 Al mejorar las condiciones nutritivas (eutótrofia) se desarrollan una flora y una fauna más favorables y así aumenta el grado de descomposición de los restos y la organización del humus. Aquí se conocen algunas formas de humus denominadas “sapropel”, “anmoor” y “mull”. Bajo condiciones intermedias de nutrición aparecen formas denominadas “Gyttja”, turbera alta y “morder”. Como en los suelos explotados agrícolamente se presentan con frecuencia condiciones hídricas favorables, las formaciones de humus del tipo terrestre tienen gran importancia. El humus bruto representa a los restos vegetales intactos acumulados en la superficie del suelo por deposición reciente. Al avanzar la descomposición de los restos (destrucción mecánica por fauna del suelo y degradación química – microbiana) se originan formas más evolucionadas. En el “morder” es factible reconocer la morfología de los restos mezclados con excremento de microorganismos y representa una forma media de desarrollo, mientras que el “mull” es la forma más evolucionada donde la descomposición es total y la materia orgánica está unida íntimamente con partículas minerales del suelo. En una segunda clasificación se hace hincapié a la composición química de los componentes del humus y de sus propiedades químicas, físicas y fisicoquímicas. La composición química de la materia orgánica es muy heterogénea, la cantidad de compuestos químicos que se presentan es infinita. Los restos vegetales y animales son polímeros de compuestos orgánicos que durante el proceso de su transformación son primeramente degradados y despolimerizados hasta sus constituyentes básicos, como en este proceso se produce la formación de componentes inorgánicos (N, P, S) se le denomina con el nombre de mineralización, los productos orgánicos resultantes constituyen la fracción de la materia orgánica no alterada. A través de un proceso subsiguiente de humificación se producen nuevos componentes por medio de síntesis microbiológicas, generalmente de coloración oscura y de alto grado de polimerización, que constituyen la fracción denominada edáfica por ser propia de los procesos de reorganización que han sucedido en el 8 suelo. Los ácidos húmicos se clasifican basándose en la solubilidad en diferentes solventes en tres grupos: ácidos fúlvicos y húmicos y huminas. (Tabla2). Tabla 2. Clasificación de los ácidos húmicos. CARACTERÍSTICAS Color Ácidos fúlvicos ÁCIDOS HÚMICOS Ácido Ácido Ácido húmico húmico himatomelánico pardo gris Humina Amarillo, amarillomarrón Marrón Marrón oscuro Solubilidad en bromuro de acetilo Soluble Soluble Insoluble Insoluble Insoluble Agua Soluble Insoluble Insoluble Insoluble Insoluble Alcohol soluble Soluble Insoluble Insoluble Insoluble Sosa soluble Soluble Soluble Soluble Insoluble Condicional Factible Muy factible - Gris-negro Negro Precipitabilidad con ácidos en extracto de soda. No factible Contenido en C 43- 52% 58-62% 50-60% 58-62% - Peso atómico equivalente. 100 150-200 300 250 - Aumento de la profundidad de color Aumento del tamaño de partículas Aumento del grado de polimerización Aumento del peso equivalente Aumento del peso atómico total Disminución de la solubilidad Disminución del carácter ácido (Uldrich, 1994) 9 Los ácidos fúlvicos representan a la fracción de humus extraíble por álcalis, no precipitable por ácidos, de color amarillento – rojo. Son compuestos fenólicos de pequeño peso molecular. Los ácidos húmicos se extraen por sosa y pueden ser precipitados en ese extracto por ácidos como el clorhídrico. Son polímeros de alto grado que se presentan entrelazados formando coloides esferoidales, su carácter ácido, se basa principalmente en la presencia de radicales COOH y OH. La fracción de los ácidos húmicos, soluble en alcohol, se denomina ácido himatomelánico y es de color marrón rojizo. Los ácidos húmicos pardos son menos floculables y más pobres en nitrógeno que los ácidos gris húmicos, que son de mayor grado de polimerización, de color oscuro y su proporción en el humus aumenta con el grado de humificación. La separación de los ácidos húmicos pardos y grises sólo es condicionalmente factible. En la tabla 3, se clasifican las sustancias húmicas por su coloración y características químicas. 10 Tabla 3. Clasificación de las sustancias húmicas por coloración y características químicas. Sustancias húmicas (Polímeros pigmentados) Ácido fúlvico Amarillo Amarillo claro oscuro Ácido húmico Marrón oscuro Humina Gris oscuro Negro Incremento de la intensidad del 2.000 ⇒ color ⇒ ⇒ Incremento del grado de polimerización ⇒ ⇒ Incremento del peso molecular ⇒ 300.000 ⇒ 62% Incremento del contenido en 45% ⇒ carbón Disminución del contenido en 48% ⇒ oxígeno ⇒ 30% 5 meq/g ⇒ Aumento del Ph ⇒ 14 meq/g Disminución del grado de ⇒ solubilidad ⇒ Incremento de la capacidad de ⇒ cambio catiónico * ⇒ Incremento de la capacidad de ⇒ retención de líquidos * ⇒ * En estos dos aspectos, aumentan en los ácidos húmicos, y vuelven a decrecer en la humina (Schnitzer et al., 1972) 11 1.4 CONCLUSION. El concepto de humus fue evolucionando con el paso de los años, tal vez no el nombre como tal pero si en las diferentes percepciones e investigaciones de esta tan polémica, confusa sustancia. Y aun después de más de 220 años de su descubrimiento. Indicando que el humus parte de, pero no es igual a, el contenido de materia orgánica total en suelos. (Achard, 1786) fue reportado como el primer científico que extrajo turba en su estudio de humus, pero realmente fue a (Saussure, 1804) quien le fue dado el crédito para introducir el nombre de humus en la ciencia del suelo. 12 CAPÍTULO 2. IMPORTANCIA DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS 13 2.1 GENERALIDADES Será descrito en éste capítulo la importancia de las sustancias húmicas en dos ámbitos de estudio y sus aplicaciones en el tema ambiental e industrial. Contribuyen al reconocimiento de la enorme importancia de la materia orgánica en la formación y fertilidad del suelo. Siendo la causa del multilateral enfoque, la comunidad de los principios de formación de las sustancias húmicas y sus funciones en diferentes condiciones naturales. 2.2 IMPORTANCIA AMBIENTAL La materia orgánica tiene efectos favorables sobre las características físicas, químicas y biológicas de los suelos. La degradación de los suelos se inicia con la destrucción de la materia húmica, trayendo consigo todo tipo de catástrofes medio ambientales. La materia húmica funge como participante en los ciclos del carbono y nitrógeno, dos ciclos importantes para mantener un ambiente saludable en el ecosistema del suelo. La fijación de carbono orgánico y compuestos proteicos en forma de ácidos húmicos enriquece los suelos que necesitan mucha materia orgánica y nitrógeno para la supervivencia de los organismos del suelo. La siguiente descomposición de la materia húmica es lanzada al ambiente, lo que permite la continuación de los ciclos respectivos. Sin la síntesis de la materia húmica, la mayor parte del carbón se perderá rápidamente en la atmósfera en forma de CO gaseoso, dejando al suelo desprovisto de materia orgánica. Los consiguientes efectos desastrosos de la degradación del suelo pueden prevenirse a través de prácticas orientadas a la acumulación y mantenimiento de cantidades suficientes de materia orgánica en los suelos, (Tan K. H., 2000). Debido a su intercambio electroquímico y su comportamiento iónico único, la materia húmica desempeña un papel significativo en el medio ambiente. Su función es vital en los ciclos bioquímicos de los suelos ya que muchas sino todas, las actividades bioquímicas llegarían a punto muerto en ausencia de materia húmica. 14 2.2.1 ¿Cuál es la importancia de las sustancias húmicas en las propiedades físicas del suelo? Uno de los efectos que tiene el ácido húmico es crear y preservar una estructura estable que proporciona las cantidades óptimas en los poros para el almacenamiento de agua y oxígeno. Los suelos que son ricos en materia orgánica exhiben alta capacidad de retención de agua, muestran estructuras bien desarrolladas, tienen una baja densidad y frecuentemente una consistencia esponjosa o friable. Existe una interacción entre el ácido húmico y las arcillas, así como reacciones complejas o quelantes (atrapan un mineral o metal pesado adhiriéndolo a otra substancia) con el Aluminio y otros iones metálicos como el Calcio, formando una estructura favorable para el crecimiento vegetal. En suelos arenosos especialmente (sueltos y friables), la agregación de partículas de arena sólo puede ser mejorada por cementación con ácidos húmicos, el efecto de cementación del ácido húmico es un factor importante en la formación de la estructura del suelo (Baver L.D., 1963). 2.2.2 ¿Qué efectos causan las sustancias húmicas sobre las propiedades químicas del suelo? En general el comportamiento químico de la materia húmica se controla por dos grupos funcionales: Los grupos carboxílicos y fenólicos-OH. Los efectos dependen de diferentes factores, como: pH, saturación de poros, y concentración del electrólito, la materia húmica puede formar complejos metálicos tanto solubles como insolubles, por lo tanto, prevén una función dual en el ecosistema del suelo. 15 Los grupos carboxilo disocian sus protones en un pH de 3.0 (Posner, 1964), y la molécula de ácidos húmicos se carga negativamente en pH menor a <3.0, llegando incluso a cero. Por su parte los grupos fenólicos – OH disocian sus protones en un pH de 9.0 y las moléculas de ácidos húmicos son capaces de atraer cationes. Ésta atracción electrostática conduce al catión a reacciones de intercambio Debido a que la carga negativa es dependiente del pH, a ésta se le llama carga pH-dependiente o carga variable (Tan K. H., 1998), figura 4. Figura.- 4 Cargas variables en la molécula húmica por disociación de protones de grupos carboxílicos a pH 3.0 y de grupos fenólicos - OH a pH 9.0 (Tan K. H., 2000) Este tipo de reacciones sin duda afectará la CIC (capacidad de intercambio catiónico) en suelos. El CIC de la materia húmica puede ser estimado de sus valores de acidez total, que son generalmente muy altos. 16 2.2.3 ¿Qué tipo de reacciones se llevan a cabo gracias a la relación entre el pH y la CIC? Tabla 4. Adsorción o atracción electrostática por ácidos húmicos (arriba), reacción compleja o quelación (centro), y el puente de agua o coadsorción (abajo). M+ = cationes con carga n- y R= resto de la molécula de ácido húmico. pH Reacciones 1 Características generales A valores de pH bajo, los únicos sitios disponibles son los sitios por atracción electrostática. 2 3 Atracción 4 electrostática 5 6 7 En los valores de pH alto la quelación se considera un proceso de vinculación más fuerte debido a la formación de una estructura de anillo quelato. Quelación 8 9 10 11 Puentes de agua 12 También puede ocurrir la adsorción, tanto como reacciones complejas por puentes de agua o metal que tiende sobre el proceso. Este es el vehículo para la interacción de reacciones entre materia húmica y arcilla. 13 Micela arcillosa (Tan K. H., 2000) 17 2.2.4 ¿Cuál es la importancia de conocer éstas reacciones que se llevan a cabo en los suelos? Figura.- 5 Diagrama del complejo húmico arcilloso. (Binger, 1986) En condiciones naturales la mayoría de los quelatos pueden estar en formas insolubles debido en parte a la participación de arcillas en el proceso de la reacción. La fracción de ácidos fúlvicos forma quelatos fulvo-metálicos solubles en agua, que es de menor en peso molecular y tiene mayor contenido de grupos funcionales. Puede solubilizarse en agua y servir entonces como portadores de oligoelementos metálicos para ser transportados a las raíces de las plantas. Por el contrario, se tiende a producir más quelatos humo-metálicos insolubles, y se considera que sirven como eliminadores de metales tóxicos.Por ejemplo, grandes cantidades de Aluminio libreen suelos ácidos se vuelven químicamente inactivos por la quelación con el ácido húmico, previniendo la toxicidad en cultivos y crecimiento de las plantas (Binger, 1986). 18 Por lo tanto, el ácido húmico puede actuar como un amortiguador en el alivio de los efectos adversos de metales pesados y sustancias tóxicas como los pesticidas y otros xenobióticos. Esto se considera de extrema importancia por muchos químicos y ambientalistas en la movilización y concentración de radionucléidos en el ambiente (Gaffney et al., 1996). 2.2.5 ¿Qué efectos causan las reacciones redox en el sistema del suelo? Las reacciones de reducción y oxidación en suelos, son llamadas reacciones de redox, y son procesos químicos que implican transferencia de electrones que afecta a la formación y acumulación de materia húmica ya que se produce mayor cantidad de ácidos húmicos en ambientes reducidos que oxidados. Las sustancias húmicas son componentes importantes del sistema redox del suelo, capaz de transferir electrones (Flaig, 1988) Figura.- 6 Representación esquemática de una reacción redox de ácido húmico que muestra la transferencia de electrones a un metal M (2+) (Sposito, 1984.) 2.2.6 Movilización e inmovilización de los elementos por REDOX. Las reacciones de reducción y oxidación juegan un papel significativo en la movilización e inmovilización de elementos del suelo, contribuyendo a la formación del suelo, la fertilidad del suelo, y la descomposición de los xenobióticos. 19 La materia húmica es capaz de de donar o aceptar electrones y al hacerlo puede cambiar el estado redox de los elementos del suelo, muchos de los cuales son esenciales como nutrientes de las pantas. La capacidad de la materia húmica en la transferencia de los iones metálicos de estados oxidados a estados reducidos asiste en hacerlos más solubles, por lo tanto más disponibles para la absorción de la planta. La movilización del Al, Fe y Mn debido a cambios en sus estados redox, es un proceso muy importante en la génesis del suelo. (De Coninck, 1980) 2.2.7 ¿Cuál es la característica principal de los suelos ricos en sustancias húmicas? Algunos ejemplos de suelos ricos en materia orgánica son los molisoles y andosoles. Los molisoles cumplen con las siguientes propiedades: Color negro, una cantidad de (± 6%) de C y que se traduce tentativamente de 10 a 12% de materia orgánica presente, así como un pequeño grado de lixiviación, siendo factores importantes para la acumulación de materia orgánica; las sustancias húmicas formadas en este tipo de suelos están saturadas de iones de 𝐶𝑎2+ y 𝑀𝑔2+ facilitando la presencia de puentes de Ca, estableciendo complejos humo- Ca- esmectita, garantizando y preservando la presencia de ácidos húmicos. Los andosoles se caracterizan por: Ser suelos que se derivan de cenizas volcánicas, también son de color negro debido al alto contenido de materia orgánica, son suelos ácidos ricos en arcilla amorfa y minerales como el Hierro y Aluminio, generalmente estos minerales arcillosos junto con el Silicio desempeñan un papel importante en la acumulación de humus, formando complejos o quelatos como: humo- Al -imogolita o humo-Si, siendo estos quelatos los que aumentan la resistencia contra la descomposición química y ataques microbianos. 20 2.2.8 ¿Qué relación hay entre el N del suelo y el contenido de materia húmica? Se considera que los ácidos húmicos contienen de 4 – 5 % de N, y son contribuyentes importantes de N del suelo. Existe una correlación positiva entre el carbono orgánico y el contenido total de nitrógeno, que por lo general toma la forma de una regresión lineal de la siguiente manera (Tan, 1981): 𝑵 = 𝐚 + 𝐛𝐂 Donde: N= % total de N C= % de C orgánico a = Intersección b = Coeficiente de regresión La ecuación anterior indica que el contenido total de nitrógeno aumenta linealmente a medida que aumenta de carbono orgánico en los suelos. Por lo tanto, la destrucción de materia orgánica del suelo y sobre todo el contenido de humus pueden generar graves implicaciones para el contenido de N del suelo. 2.2.9 Conclusiones. Los quelatos, pueden llevar los compuestos tóxicos y puede migrar largas distancias contaminando el agua subterránea o reaparecer en otros lugares para ser precipitado. Los compuestos hidrofóbicos no polares, por ejemplo, DDT y PCB, pueden hacerse solubles de esta manera (por atrapamiento), por lo tanto, impidiendo su acumulación en suelos y sedimentos. Sin embargo, la creación de humo-quelato soluble e insoluble parece generar polémicas y problemas para el medio ambiente. En forma de humo-quelatos, estos xenobióticos impiden la adsorción por las arcillas del suelo, pero la interacción con ácidos húmicos disminuye su tasa de 21 descomposición, fotólisis, volatilización y absorción biológica. Esto último espera alargar la vida del los ácido húmicos o aumentar su tiempo de residencia media en el suelo. 2.3 IMPORTANCIA INDUSTRIAL La materia húmica puede ser aplicada para una variedad de propósitos en la industria. La mayoría de la información en la industria está patentada o es mantenida confidencial. Sin embargo, existen varias aplicaciones conocidas de las sustancias húmicas en la industria. Debido a su color que va del café a negro, la materia húmica ha atraído la atención para su posible uso como un agente de tinción. Se han obtenido las patentes de las sustancias húmicas para la producción de material de curtido de cuero y manchas, en Estados Unidos, Japón y Rusia (MacCarthy, 1985). El color de las sustancias húmicas también encuentra aplicación en la industria de la tinta, para colorear cerámicas, considerando que su propiedad de dispersión es importante para su uso en los fluidos de perforación y pinturas. La materia húmica también es esencial en manteniendo de la esmectita, lodos en forma emulsionable. Estas mezclas se utilizan como lubricantes en cabezas de perforación, por lo tanto, es necesario evitar que se conviertan en agregados y sólidos. La formación de complejos entre el ácido silícico y compuestos orgánicos tiene aplicación en la industria en la producción de siliconas. La fórmula general de silicona es R - SiO, en la cual R es un radical orgánico (generalmente un compuesto orgánico simple, un metilo Grupo, CH, o un grupo etilo, C2H5), la materia húmica también puede utilizarse como un radical. Estas siliconas pueden tener una estructura lineal o cíclica y los compuestos de siliconas, polímeros de silicona reticulada también son posibles. Dependiendo de la complejidad molecular, las siliconas tienen la apariencia aceitosa, grasosa, o sustancias parecidas a la goma. En consecuencia, son utilizados como lubricantes, fluidos hidráulicos y aisladores eléctricos. El 22 anticongelante para automóviles contiene silicona para lubricar la bomba de agua. En la ciencia médica, encuentra aplicación como material de relleno de silicona y los implantes en humanos cuerpos como el uso de silicona para los implantes mamarios. El ácido húmico es conocido hasta el momento como no tóxico. 2.3.1 Producción de agroquímicos. Las propiedades de los quelatos metálicos de ácidos húmicos también se encuentran en la industria de fertilizantes. En Europa se pretende producir y comercializar fertilizantes tratados con ácidos húmicos ácidos y que por investigaciones se cree que los granos de fertilizante mineral recubiertos con ácidos húmicos, reducen la acción entrópica del suelo, mejorando de esta manera la eficiencia de los fertilizantes (Savoini, 1986). Humus tratado con una solución de hidróxido de amonio es llamado humus de nitrógeno modificado (MacCarthy, 1985), se ha utilizado como fertilizante y se encontró tener un efecto estimulante sobre el crecimiento de las plantas, a esta reacción química entre los ácidos húmicos y el amonio (NH) es conocida como fijación del amonio (Stevenson, 1994) y se usa para la producción de biofertilizantes y tratamiento de residuos tóxicos. Los ácidos húmicos son un potente quelante de fosfatos, se plantea la producción de superfosfatos fertilizantes ya que en la producción de superfosfatos fertilizantes es usado el ácido sulfúrico para solubilizar el Fosforo, se puede sustituir por ácido húmico generando quelato humo-fosfato que estimula el crecimiento de la planta. El bio-superfosfato resultante o humo-superfosfato fertilizante podría ser superior a su contraparte inorgánica. En Europa los quelatos de hierro, zinc, manganeso y cobre también se producen en forma de cápsulas o pastillas para el uso en el alivio de deficiencias de micronutrientes en las plantas. Los complejos de humo-metálicos proporcionan facilitar el transporte y distribución de los micronutrientes. (Savoini, 1986) Indica que estos quelatos exhiben una lenta y gradual solubilidad en el agua además de una 23 fuerte resistencia a la degradación por ataque ligero y biofísico. También pueden ser mezclados con fertilizante puesto que la lenta solubilidad del Hierro quelado, por ejemplo, se forman humo quelato-Fe que es compatible con una amplia gama de abonos y se puede mezclar. Los quelatos humo-micronutrientes en forma líquida que se usan como aplicaciones foliares, han demostrad ser más eficaces en el control de las deficiencias de micronutrientes. Hoy los ácidos húmicos son aplicados en la producción de una variedad de compuestos para el uso en los suelos y la agricultura. En los Estados Unidos y varios otros países las clases de productos de ácidos húmicos en cuestión son llamados por muchos los productores: humus comercial y las empresas de producción y comercialización de humatos se notan en todo el mundo. Científicamente, es un nombre propio, ya que en esencia son las sales de ácidos húmicos o fúlvicos. En el pasado, la mayoría de los científicos consideraban los humatos como 'suciedad'. Sin embargo, estos humatos comerciales están aquí para quedarse, Ya sea por los beneficios realmente observables al suelo y las plantas, o al mercado persistente. 24 CAPÍTULO 3. MINERALIZACIÓN Y HUMIFICACIÓN 25 3.1 GENERALIDADES Los restos vegetales de cualquier naturaleza como hojas, ramas muertas, que bajo una vegetación permanente, caen al suelo, constituyen la fuente principal de la materia orgánica del suelo: estos restos forman la hojarasca que sufre una transformación, fundamentalmente de origen biológico, llamada humificación, dando lugar al humus. El humus está formado por un conjunto de compuestos orgánicos coloidales de color oscuro que, en general proceden de neoformaciones microbianas y contraen enlaces, más o menos estables, con los elementos minerales del suelo (arcillas e hidróxidos de hierro y de aluminio). (Duchaufour, Edafogénesis y clasificación., 1984) Para describir la formación de la materia orgánica fresca (en general materia vegetal) en humus, se utilizan también otros términos que, en realidad tiene una aceptación un poco diferente y a menudo menos precisa. La descomposición de hojarasca representa el aspecto negativo de la humificación, este término designa la desaparición más o menos rápida de la materia prima vegetal que, en general se divide mecánicamente, o es enterrada en los horizontes minerales por la actividad animal (lombrices) y es atacada muy rápidamente por las bacterias y por los hongos del suelo. En medios con fuerte actividad biológica, es decir en medios aireados y poco ácidos, la descomposición de la hojarasca es rápida, produciéndose en un periodo de tiempo de uno o dos años como máximo: se trata del humus denominado MULL, en el cual la hojarasca forma una capa muy delgada en el otoño y desaparece casi por completo en el verano; por el contrario, es muy lenta en los medios poco activos, por ejemplo en los medios muy ácidos o cuando la materia prima vegetal es poco biodegradable, en cuyo caso se necesitan varios años – a veces 10 a 20 años – para descomposición total de la hojarasca: se forma entonces, superpuesto al suelo mineral, un horizonte denominado globalmente 𝐴0 , cosntituido, en su mayor parte, por restos vegetales descompuestos que todavía caracteriza estructurados los humus y por forestales tanto, principalmente denominados MOR. (Duchaufour, Edafogénesis y clasificación., 1984). 26 3.2 MINERALIZACIÓN La mineralización de la materia orgánica, humificada o no, se refiere a la formación de compuestos minerales, en general solubles (fosfatos, sulfatos, nitratos, etc.) o gaseosos ( 𝐶𝑂2 𝑦 𝑁𝐻3 ), por la acción de microorganismos particularmente activos: en realidad, la mineralización produce la desaparición total de la materia orgánica del suelo, siendo por tanto un proceso opuesto a la humificación. 3.2.1 ¿Qué nos indican los índices de mineralización? Medida globalmente para el conjunto de los horizontes orgánicos, su velocidad indica la cantidad global de materia orgánica, humificada o no que subsiste en los suelos, en un momento dado, y que resulta de un equilibrio – que se puede representar por una ecuación – entre los aportes de materia orgánica fresca y la mineralización global por unidad de tiempo,(Duchaufour, Edafogénesis y clasificación., 1984). Tabla 5. Valores característicos y grado de mineralización. Tipo de humus Mor de Calluna Moder (Roble) Mull mesotrófico (Roble, carpe) Mull carbonatado (roble) Mull de estepa (Chernosem) pH (agua) St C.N N total 3,5 8 35 (casi nulo) 4 20 20 2 5,5 70 12 4 8 (sat.) 10 1 a2 7,5 (Sat.) 12 1 (por mil) (Belgrand, 1981) 27 3.2.2 ¿Qué tipos de mineralización se pueden presentar? En general se distinguen dos tipos de mineralización primaria y secundaria. Mineralización primaria.- Afecta a la materia orgánica fresca que todavía no está totalmente integrada al suelo mineral (hojarasca). Mineralización secundaria.- Es la que ataca a los compuestos húmicos y es más lenta, ya que los enlaces que contraen con los compuestos minerales retardan los procesos de mineralización. 3.2.3 ¿Cuánto tiempo se necesita para que ocurra la mineralización? A pesar de diferencia entre los tipos de mineralización, en los climas templado-húmedos, las dos mineralizaciones, se realizan a un ritmo casi comparable; ambas son particularmente rápidas en los mull poco ácidos, en los que, tanto la hojarasca, como los compuestos húmicos, son poco abundantes, se dice entonces que la renovación de la materia orgánica es rápida. Sin embargo, puede ocurrir que el ritmo al que se realizan las dos mineralizaciones, sea muy diferente; este es el caso del humus formado sobre cenizas volcánicas (andosoles). en el cual la mineralización primaria que (acompaña también a los procesos de humificación) es rápida, mientras que, por lo contrario, la mineralización secundaria es muy lenta; en estos suelos, se desarrolla un horizonte 𝐴1 mixto, oscuro y con mucho espesor, constituido por complejos húmicos-silicatos que forman agregados muy finos (pseudo-limos): la renovación es, en este caso, muy lenta. En los medios mal aireados, que son anaerobios como consecuencia de un encharcamiento por agua estancada, la mineralización primaria de la materia orgánica fresca está frenada por la falta de oxígeno: este es el caso de las turbas formadas por una capa de materia orgánica de gran espesor, granular o fibrosa, que se acumula en la superficie del suelo mineral. 28 3.2.4 ¿Qué es la reorganización de los compuestos mineralizados? La reorganización de los compuestos previamente mineralizados, tales como el fosforo y el nitrógeno, es el proceso biológico inverso del que rige la mineralización, y se produce junto con la biosíntesis de los microorganismos vivos; por este procedimiento, una parte de los compuestos minerales liberados se reincorpora a los compuestos húmicos. 3.2.5 ¿Cómo se lleva a cabo esta reorganización de los compuestos mineralizados? Se manifiestan morfológicamente en una incorporación más o menos completa de la materia orgánica al suelo mineral, y en una estructura que resulta de los enlaces más o menos estables, que contrae la materia orgánica con los elementos minerales, principalmente con las arcillas; se forman así agregados húmico-arcillosos, con frecuencia organizados a su vez, en varios milímetros, que confieren a los mull activos una estructura estable y aireada. Se resume que al conjunto de estos procesos; todos ellos conducen a un cierto estado de equilibrio, Por el contrario, los humus poco activos (mor), presentan horizontes L y 𝐴𝑜 de bastante espesor, superpuestos al suelo mineral; el horizonte mixto 𝐴1 no existe, o si existe, tiene poco espesor y no presenta ningún agregado húmico arcilloso. En la figura 7, se observa esquemáticamente que el proceso de mineralización se lleva a cabo paralelamente a la humificación, es decir: de la materia orgánica integrada al suelo una parte se mineraliza por el método primario y casi al mismo tiempo también una parte se humifica directamente; mineralización reorganización primaria, los compuestos y pasan al humus, no en los residuos de la mineralizados presentan una dándose finalmente una mineralización secundaria. 29 30 Figura.- 7. Esquema de la formación de los humus naturales.(Duchaufour, Edafogénesis y clasificación., 1984) 3.2.6 FRACCIONAMIENTO, IDENTIFICACION Y ESTRUCTURA. ¿Las sustancias húmicas se fraccionan? Desde hace mucho tiempo todos los laboratorios utilizan disoluciones alcalinas (pirofosfato sódico 0.1 M) para la extracción de los compuestos húmicos; se obtiene así un líquido oscuro que por acidificación genera un precipitado pardo, en forma de flóculos, constituido por los ácidos húmicos (AH), mientras que los ácidos fúlvicos (AF) permanecen en disolución. Los ácidos húmicos se pueden subdividir a su vez, en fracciones más o manos “condensadas”: ácidos himatomelánico y ácidos húmicos pardos, poco condensados, y con ácidos húmicos grises, muy condensados y muy estables. Este método de extracción alcalina no disuelve toda la fracción humificada, denominándose comúnmente bajo el nombre de humina, la fracción no extraíble pero que, está más o menos transformada por vía microbiana y que por tanto, es diferente de la materia fresca. Únicamente algunos métodos físicos complejos (densimetría, principalmente en presencia de líquidos densos) permiten separar las huminas de la materia orgánica fresca. 3.2.7 En base a la morfología ¿Qué clasificación puede identificarse? Se pueden clasificar los tipos de humus de una forma sencilla, según su morfología y la sucesión de horizontes orgánicos. (Figura 8). 31 32 Figura.- 8 Morfología de los tipos de humus, en un medio aireado.(Duchaufour, Edafogénesis y clasificación., 1984) Mull ácido: medio ligeramente ácido (suelo pardo), bosque de frondosas; renovación rápido (grado de mineralización Medio del nitrógeno: 3-4 % anual); horizonte 𝐴𝑙 de poco espesor y poco coloreado; estructura de grumos de tamaño medio. Mull carbonatado:(o mull calizo): medio calizo (rendisinas); renovación lento (grado de mineralización del nitrógeno inferior al 2% anual); horizonte 𝐴𝑙 oscuro y con bastante espesor; estructura de grumos gruesos, estables. Mull ándico: sobre cenizas volcánicas (andosoles); renovación muy lento (grado de mineralización del nitrógeno menor al 0.3 % anual); 𝐴𝑙 muy oscuro y con mucho espesor (20 a 30% de materia organica); estructura en agregados finos. Morder: puede ser considerado como un mor atenuado y, por tanto, con caracteres entre el mor y el mull, el horizonte 𝐿𝐴0 , de 2 a 4 cm, es ácido, y el horizonte 𝐴1 , oscuro, presenta una estructura en finos agregados coprogenos. Mor: En el horizonte 𝐴0 exclusivamente orgánico, tiene bastante espesor (de 10 a 30 cm) y se subdivide en dos partes: L (hojarasca), F (capa de fermentación con restos vegetales visibles todavía) y H (capa humificada); horizonte 𝐴1 , poco definido, no presenta estructura en agregados. 33 3.4 PROCESOS DE HUMIFICACIÓN. La humificación consta de diversas fases en las que las sustancias generadoras del humus experimentan determinadas reacciones químicas a lo largo de un proceso de gran complejidad. En primer lugar, los restos vegetales se transforman y pierden sustancias orgánicas y algunos elementos minerales como el potasio y el sodio. A continuación, la hojarasca, los tallos y otros restos se acumulan y se desintegran de forma mecánica por la acción de los animales. Posteriormente, tienen lugar otras alteraciones químicas, por las que los restos orgánicos pierden su estructura celular y se alteran a un material amorfo que adquiere un color negruzco. Poco a poco, estos restos se descomponen y se fusionan totalmente con la fracción mineral del suelo para formar el humus. 3.4.1 Neoformación. Se distinguirán los compuestos húmicos en sentido estricto, con predominio de núcleos aromáticos (fenólicos), de los que son fundamentalmente alifáticos y están constituidos por la biomasa microbiana (humina microbiana). 3.4.2 ¿Cuáles son las características de los compuestos húmicos con núcleos aromáticos? Los precursores fenólicos resultan de la degradación de la lignina y de los taninos de los residuos vegetales, aunque parte de ellos son sintetizados por los microorganismos, por “ciclación” de determinados compuestos alifáticos (melaninas microbianas). Por acción de las polifenol-oxidasas, excretadas por la microflora, estos precursores evolucionan dando “polímeros”, cuyas moléculas aumentan de tamaño y, por lo tanto, cuya solubilidad disminuye en el sentido 𝐴𝐹 → 𝐴𝐻 → 𝐻𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑛𝑒𝑜𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎 (llamada también humina de insolubilización); por el contrario, las cadenas alifáticas y los grupos funcionales que unen entre si los núcleos fenólicos disminuyen en el mismo sentido. 34 Evidentemente esta evolución por insolubilización y aumento de tamaño de las moléculas depende de la actividad biológica del medio (favorecida, en particular, por la riqueza en N y un pH elevado), pero también la presencia de ciertos cationes que ejercen una acción directa sobre el proceso: Ca2+, Fe3+ y Al3+. El ion 𝑪𝒂𝟐+, cuando abunda en la solución del suelo [especialmente en forma de Ca(CO3 H)2 ], actúa como catión insolubilizado los precursores, principalmente los que no se mineralizan a medida que se producen, pero no actúan sobre la polimerización de los núcleos: por consiguiente, bloquea la mineralización de los AF, a pesar de ser biodegradables. Los iones 𝑭𝒆𝟑+ y 𝑨𝒍𝟑+ , generalmente en forma hidroxilada poco soluble, Fe(OH)n y Al (OH)n , y absorbidos en la superficie de las arcillas, ejercen una triple acción: insolubilización, polimerización más o menos intensa de los núcleos y “anclaje” de los compuestos húmicos a las partículas de arcilla (acción llamada “catión de enlace”, en la formación del complejo húmico arcilloso). El hierro, si es abundante, disminuye la solubilidad de los compuestos húmicos formados, en los reactivos de extracción (formación de humina “neoformada”). Cuando los cationes Ca2+, Fe3+ y Al3+ y las arcillas están en cantidad insuficiente en el medio (arena cuarzosa), los precursores fenólicos se mantienen en forma soluble y “emigran” provocando la podsolización. 3.4.3 ¿Qué son las huminas microbianas alifáticas? Abundan en los medios poco ácidos y enriquecidos en alimentos energéticos muy biodegradables (prótidos y sacáridos); la biomasa prolifera y da lugar a compuestos alifáticos en cadenas, formados sobre todo por polisacáridos y proteínas que juegan un papel importante en la construcción de las “estructuras” de los suelos agrícolas enriquecidos en materia orgánica fresca con regularidad. Sin embargo, la mayor parte de estos compuestos alifáticos es muy lábil y sufre biodegradación 35 rápida, de tal manera que las estructuras construidas de esta forma, aunque muy favorables, a menudo son de corta duración. No obstante, en los suelos con arcillas expandibles, una parte de las huminas microbianas (compuestos proteicos) es “estabilizada” por ese tipo de arcilla (chernozems). Las múltiples acciones de la biomasa en los mull activos se pueden resumir como sigue: - Descomposición y mineralización de los constituyentes vegetales. - Síntesis de una parte de los precursores fenólicos. - Catálisis de las reacciones de polimerización de todos los compuestos fenólicos por las enzimas oxidantes. - Formación de cadenas alifáticas de los ácidos fúlvicos y húmicos. - Elaboración de diversas huminas microbianas. El papel de la biomasa en la humificación por neoformación puede ser esquematizada tal como se indica en la siguiente (figura 9) se presenta un esquema de todos los procesos de neoformación (mull activo). 36 37 Figura.- 9 Esquema de la humificación por neoformación (mull activo).(Balandreau, 1975) 3.4.4 ¿Qué es la humificación por herencia? Se trata de la formación de humina heredada, próxima todavía a algunos compuestos presentes en la materia orgánica fresca (lignina), la lignina no se descompone, como en el caso anterior, dando precursores solubles, sino que sufre una oxidación parcial (aparición de grupos −𝐶𝑂𝑂𝐻 ,) que facilita la formación de enlaces más estables con las arcillas. El conjunto constituye la humina heredada que abunda en dos medios muy diferentes: la que provienen de humus ácidos y la humina heredada de los mull carbonatados. 3.4.5 ¿Qué características tienen las huminas heredadas de humus ácidos? Son medios con débil actividad biológica, muy ácidos, y con una materia prima, MOF, difícilmente biodegradable, morder y mor, en los que la humina heredada, presente ya en el horizonte 𝐴 , es mayoritaria en el interior de las deyecciones de los horizontes H y 𝐴𝑙 , y muy pobre en proteínas (C/N elevado). 3.4.6 ¿Qué características tienen las huminas heredadas de humus mull carbonatados? En los mull carbonatados, de las formaciones naturales, en los que el 𝐶𝑎𝐶𝑂3 , al precipitar alrededor de los fragmentos de la MOF (Materia orgánica fresca) todavía poco descompuestos, forma películas protectoras contra la acción microbiana, lo que ralentiza su biodegradación. En el segundo caso la humina heredada fija las proteínas y, por lo tanto, es más rica en nitrógeno que en el caso anterior; sin embargo, cuando el suelo se usa 38 en cultivo y se trabaja; desaparece muy rápidamente ya que se produce la ruptura de s películas protectoras del carbono cálcico. En la figura 10, se observa las proporciones de compuestos húmicos formados en los diferentes tipos de suelo. Figura.- 10 Cantidad de huminas neoformadas y estabilizadas en diferentes tipos de suelos. 39 3.4.7 Ejemplos esquemáticos del proceso de humificación. Las siguientes figuras resumen el conjunto de los procesos de humificación que tienen lugar en el mull y el morder, el mull, en la figura 11, se observa que todo el ciclo se localiza en el horizonte humífero 𝐴1 : todos los precursores se insolubilizan (o se mineralizan). Figura.- 11 Esquema del proceso de humificación: Mull ácido. El ciclo del carbono se localiza completamente en el horizonte A1.(Toutain, 1974). 40 Por el contrario en el caso del morder, una parte de los precursores solubles escapa a los procesos de insolubilización y emigra en profundidad provocando la podsolización (translocación de compuestos orgánicos, aluminio y hierro); al lado de una notable proporción de materia orgánica fresca, el componente predominante de este tipo de humus es la humina heredada, ver ejemplo de la fig.12. Figura.- 12 Esquema del proceso de humificación: Moder. Parte de los compuestos insolubilizados en A1, es arrastrada hacia los horizontes minerales. (Toutain, 1974) 41 3.4.8 Estabilización físicoquímica y maduración. Incluso en los medios con fuerte actividad biológica (mull), la renovación de los compuestos húmicos es variable y está estrechamente relacionado con las condiciones fisicoquímicas de la humificación; en el medio mineral ejerce una acción inmediata de protección frente a los agentes de la mineralización, cuya eficacia depende de su composición: a esta estabilización físicoquímica rápida, sucede a menudo una maduración lenta de los compuestos húmicos formados, favorecida por las alteraciones climáticas y por la presencia de las arcillas expandibles. 3.4.8.1 ¿Qué es la estabilización fisicoquímica de las sustancias húmicas? Depende del medio mineral que ha regido los procesos de insolubilización y de polimerización. Es débil en los mull silicatos ácidos, en los cuales los cationes de enlace, sobre todo de hierro 𝐹𝑒(𝑂𝐻)𝑛 , se unen los compuestos húmicos a la superficie de las arcillas: el renovación es rápido(Andreux, 1981). La estabilización intermedie en los medios saturados en calcio; en este caso, los compuestos precipitados se encuentran en forma de AF poco transformados químicamente en los medios muy calizos, las películas de 𝐶𝑎𝐶𝑂3 , cuya existencia ya ha sido señalada, provocan una autentica conservación de la humina heredada. El renovación es medio, con frecuencia en presencia de 𝐶𝑎𝐶𝑂3 .(Muller, 1978). Por último la estabilización por la fracción activa de los alófanos (alúmina amorfa) es considerable; los AF y AH insolubilizados se acumulan en los andosoles formados sobre cenizas volcánicas: el renovación es en este caso muy lento (Wanda, 1973). 42 3.4.9 ¿Cómo se lleva a cabo el proceso de maduración? Es un proceso de evolución lenta de algunos compuestos húmicos, estabilizados ya por vía físicoquímica, que se produce cuando están sometidos a la influencia de fases de sequía; la renovación es ralentizada hasta un grado tal que esta fracción del humus puede ser considerada prácticamente como inerte (Paul, 1978) El tiempo medio de residencia de este tipo de materia es medido por el 𝐶 14 ; puede alcanzar 3000 o 4000 años (Scharpenseel, 1988). La proporción de materia orgánica estabilizada por esta evolución climática lenta es muy variable: en clima templado húmedo, sin un periodo seco acentuado, no sobrepasa el 15-20% de la fracción humificada; mientras que en los climas de estepa con periodo seco y en un medio que contiene arcillas expandibles, que ejercen una acción catalítica, la proporción es máxima. Así, la materia orgánica estabilizada alcanza 60-70% (en promedio), del conjunto de humus de los chernozems, a los cuales confiere un aumento del color negro, los compuestos húmicos más lábiles, desde la superficie hasta la base del perfil (Bernier, 1960). Esta materia orgánica estabilizada por vía climática consta de dos fracciones de distinta importancia: una fracciona aromática, muy fuertemente policondensada, forma extrema de evolución de las huminas neoformadas, y una fracción alifática (prótidos sobre todo) intercalada entre los “estratos” de algunas arcillas expandibles, que le aseguran así una protección contra la biodegradación microbiana (Turenne, 1977). 3.4.10 Clasificación bioquímica del humus. El conocimiento profundo de los procesos de humificación permite completar y precisar la clasificación morfológica. El grado de evolución está ligado a la importancia relativa de los dos procesos fundamentales: neoformación (predominante en los tipos de humus más evolucionados), y transformación o herencia (predominante de humus menos evolucionados). 43 A su vez los humus evolucionados, de tipo mull, se distinguen entre sí por la renovación más o menos rápido de los compuestos húmicos, relacionados con la mayor o menor eficacia de la estabilización fisicoquímica. Por último algunos humus particulares (mull chernosemico y vertisoles) se caracterizan por una maduración fisicoquímica que afecta a un grado proposición de los compuestos húmicos formados por vía biológica. 3.4.11 ¿Qué espectros bioquímicos se consideran en la clasificación de los humus? Los espectros bioquímicos reflejan las diferencias de composición que existen entre diversos tipos de humus (indicadas por la importancia relativa de los sectores del semicírculo); la superficie de semicírculos, proporcional a la cantidad de materia orgánica (en porcentaje), da una formación inmediata de la rapidez de la renovación: cuanto mayor es esta superficie, más importante es el stock de materia orgánica y por lo tanto es más lenta la renovación. Transformación o neoformación: 10% de MOF y humina heredada en los mull, frente a los 90% en los morder. Renovación: el stock de humus es de alrededor de 30 𝐾𝑔/𝑚2 en el mull carbonatado forestal y de 100 𝐾𝑔/𝑚2 en los andosoles sobre cenizas volcánicas. Maduración: humus estabilizado, del orden del 20% en un mull ácido templado, alcanza del 60 al 70% en conjunto de los horizontes de un chernozem y del 90% al 95% en un vertisol. Figura 13. Tenemos la siguiente clasificación bioquímica: Humus poco evolucionados ( transformación predominante) Débil actividad biológica: morder, mor. Fuerte actividad (mezcla de horizontes): mull carbonatado. Humus evolucionados (neoformación predominante) Renovación rápida: mull pacido y mesotrófico. Renovación media: mull cálcico (o eutrófico). 44 Renovación lenta: mull ándico. Humus muy evolucionados: abundancia de compuestos negros con fuerte maduración chernozems, vertisoles. Figura.- 13 Espectros bioquímicos medios de cinco tipos de humus.(Horizonte A1, materia orgánica ligada. (Duchaufour, 1984) 45 La clasificación de los aspectos bioquímicos se distribuye en 4 categorías principales se muestran en las tablas 6 y 7. Tabla 6 Clasificación bioquímica de los tipos de humus (I, II y III) (Duchaufour, Edafogénesis y clasificación., 1984) 46 Tabla 7 Clasificación bioquímica de los tipos de humus (IV) (Duchaufour, Edafogénesis y clasificación., 1984) 3.4.12 Formación y acción de las asociaciones órgano-minerales. Se ha podido comprobar que la humificación está estrechamente ligada al “contexto mineral” que existe en el suelo y, si bien el tipo de humus ecológico depende, en cierta medida de la materia prima (MOF), su dependencia de los cationes y de las partículas finas (arcillas) que existen en los suelos es todavía mayor, las asociaciones órgano-minerales formadas tienen una importancia fundamental en edafología ya que condicionan el conjunto de las propiedades del suelo y de los procesos de edafogénesis. Los medios minerales pueden clasificarse en función de: 1°) El contenido en arcilla y cationes floculantes. 2°) El pH y del tipo de humus. 47 3.4.13 ¿Qué influencia tiene el contenido de asociaciones órgano-minerales en arcilla y en cationes floculantes? a) Medios muy ácidos, pobres en arcillas y en cationes (Ca, Mg, Al, Fe). Por ejemplo, arenas cuarzosas: los precursores fenólicos no son biodegradados en superficie, permanecen en forma soluble, emigran en profundidad, y forman complejos (o quelatos) móviles con la pequeña cantidad de cationes (Al y Fe) presentes; el tipo de humus es entonces un morder o un mor, necesariamente pobre en compuestos húmicos neoformados: se trata de proceso de podsolización. b) Medios que contienen una cantidad suficiente de arcilla y de cationes. Se produce entonces la formación de agregados húmico-arcillosos desde la superficie, floculados por biodegradación o insolubilización de los precursores húmicos (horizonte 𝐴𝑙 con estructura en agregados: mull). Deben distinguirse, sin embargo, dos casos: 1.- En medios periódicamente mal aireados, una pequeña cantidad de materia orgánica soluble puede escapar (temporalmente) a la biodegradación y formar “películas” protectoras alrededor de las arcillas, lo que facilita su dispersión e impide la acción de los iones floculantes, produciéndose entonces un arrastre limitado de las arcillas finas, denominado “lavado”. 2.- En medios muy aireados, con fuerte actividad biológica en todas las épocas, la materia orgánica soluble es biodegradada e insolubilizada rápidamente, y la acción de los iones floculantes,𝐶𝑎+2 en medios neutros y 𝐴𝑙 +3 en medios ácidos, alcanza su eficacia máxima, estando en este caso impedido el lavado de la arcilla. 3.4.14 ¿Qué influencia tiene el pH en el humus? La naturaleza de los agregados floculados de los mull depende en gran parte del pH y del tipo de humus, más o menos modificado por los aportes de fertilizantes orgánicos. (Duchaufour, 1987). 48 a) Medios ácidos y aireados (mull ácido). Los agentes activos de la formación del complejo húmico-arcilloso son los compuestos neoformados, con núcleos aromáticos, y los cationes de enlace, 𝐴𝑙 𝑂𝐻 𝑛 y 𝐹𝑒(𝑂𝐻)𝑛 . b)Medios saturados en 𝐶𝑎+2 , enriquecidos en compuestos orgánicos ricos en N (algunos mull etróficos de cultivo). Las huminas microbianas, debido a su estructura en red que engloba a las arcillas, juegan el papel principal, dando lugar a agregados estables pero transitorios ya que dependen estrechamente de la proliferación de la biomasa, que está sujeta a fluctuaciones importantes. c) Medios que contienen caliza activa (mull carbonatada). Estos medios, con una estructura muy estable, completamente exentos de lavado dependen de equilibrios 𝐶𝑎𝐶𝑂3 − 𝐶𝑎(𝐶𝑂3 𝐻)2 − 𝐶𝑂3 𝐻2 ; los agregados son mas complejos (de mayor dimensión y muy estables) que en los casos anteriores: las películas de 𝐶𝑎𝐶𝑂3 presipitando inmovilizan y protegen contra la biodegradación, no solo a las húmicas microbianas y a los agregados, formados por compuestos húmicos de precipitación y por arcilla, sino también a partículas de materia orgánica poco transformada (MOF y humina heredada). (Duchaufour, 1987). 3.4.15 Ecología de la humificación. El tipo de humus de un suelo dado depende, por una parte, de la materia prima MOF, y de las condiciones ecológicas externas: clima en general, material mineral y economía del agua. 3.4.16 ¿Cómo afectan las condiciones ecológicas en relación a la formación de humus? Los factores vegetación y medio, no son independientes (salvo si interviene el Hombre) ya que en condiciones naturales, el medio orienta y determina las asociaciones vegetales. Si se consideran los grandes conjuntos mundiales, se puede observar con claridad la zonación climática de la vegetación: los factores locales se borran y la vegetación está condicionada fundamentalmente por el clima en general. 49 Por el contrario, los mapas trazados a gran escala, con el fin de estudiar regiones de exención limitada, hacen resaltar el papel determinante de los factores estacionales, que con frecuencia varían muy rápidamente de un lugar a otro, en función de la naturaleza del materia, del relieve, de la economía del agua, etc. (Duchaufour, 1987) 3.4.17 Conclusión. La materia orgánica del suelo, integra perfectamente el conjunto de los factores del medio, ya sean climáticos, estacionales o biológicos (vegetación). Además, se comporta al menos en ciertas zonas climáticas (frías y templadas) como elemento motor de la edafogénesis, en la medida en que influye profundamente en el proceso de alteración, en los movimientos de materia e, incluso, en el conjunto de las propiedades fisicoquímicas del suelo, mediante la formación de complejos órganomineral específico. Por todas estas razones, el tipo de humus es considerado, como un elemento clave de los procesos de formación de los suelos. Dos ejemplos se pueden dar para esclarecer este concepto: a) La formación del mor está ligada a condiciones ecológicas precisas, aunque diferentes según la zona climática; por el contrario, bien un factor de estación o bien la acción humana: en ambos casos, el proceso de formación de suelo es sensiblemente el mismo, y se explica por la acción de compuestos quelantes que emanan de los horizontes humíferos. b) La formación del mull moderadamente acido, caracteriza la zona templada; a pesar de su diferente composición mineralógica o química, estos materiales sufren, por influencia del mull, una edafogénesis muy parecida que se puede calificar de empardecimiento: acidólisis moderada, provocada por los ácidos inorgánicos que emanan de los horizontes humíferos, y procesos de arrastre muy limitados, que mantienen, en todo el perfil, los complejos arcilla-hidróxidos, de color pardo. 50 CAPÍTULO 4. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS. 51 4.1 GENERALIDADES. En el grupo de los ácidos húmicos están englobados las materias que se extraen del suelo por disolventes ( 𝑁𝑎𝑂𝐻, 𝐾𝑂𝐻, 𝑁𝑎2 𝐻𝐶𝑂3 , 𝑁𝑎4 𝑃2 𝑂7 , 𝑁𝑎𝐹, Oxalato sódico, urea y otros), y que al acidificar con ácidos minerales, se precipitan de las soluciones obtenidas en forma de un gel oscuro. Sprengel, Berzelius, Mulder, German y otros investigadores del siglo pasado separaron de distintos substratos una serie de representantes de los ácidos húmicos, y encontrando que su composición elemental y propiedades variaban ligeramente. Según las ideas de la química clásica, generalmente aceptadas en aquel tiempo, se consideraba que estas diferencias caracterizan la naturaleza individual y la posición independiente de cada uno de los representantes de los ácidos húmicos. Así surgieron los conceptos sobre los ácidos húmicos, úlmico, múcico, fumínico, y otros. Pero poco a poco se fue poniendo en claro que los ácidos húmicos, de distintos suelos, turbas, restos vegetales en descomposición a pesar de toda su diversidad, conservan unos principios de estructura muy semejantes. 4.2 NATURALEZA QUÍMICA DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS. 4.2.1 ¿Cuál es la composición elemental de las sustancias húmicas? Los ácidos húmicos poseen una naturaleza muy particular, esencialmente distinta a la de cualquier sustancia vegetal. Los siguientes datos señalan la compleja estructura de los ácidos húmicos y la participación de una serie de componentes característicos en su formación. 52 Tabla 8 Representación de la composición elemental de las sustancias vegetales y húmicas. (Knononova, 1966 ) 4.2.2 ¿Qué tipo de núcleo se presenta en los ácidos húmicos? Sobre la presencia de componentes de estructura aromática en las moléculas de los ácidos húmicos de distinto origen, dan testimonio de los datos de una serie de investigadores que emplearon diferentes procedimientos: bromación, cloración, tratamiento con ácido nítrico, álcalis en nitrobenzol, permanganato potásico en medio alcalino (Knononova, 1966 )(Scheffer, 1960 ). Entre los productos de oxidación se han encontrado derivados de fenoles y quinonas, ácidos benzolcarboxílicos y también, ácidos orgánicos de bajo pesos molecular (oxálico, malenico), los cuales son productos de desintegración de los anillos benzoicos y furánicos. Al difundir con álcalis los ácidos húmicos de suelos y turbas se han hallado el ácido protocatéquico y la pirocatequina(Dragunov, 1958) . En la hidrogenación de los ácidos húmicos de distintas etapas, de formación del carbón, en medio de dioxano, sobre catalizador de niquel, hallaron ácidos carboxílicos, fenoles y sus derivados. En la siguiente figura 14, se presenta los productos de descomposición de los ácidos húmicos 53 54 Figura.- 14 Productos de descomposición de los ácidos húmicos. (Flaig, 1988) Últimamente, entre los productos de la fusión alcalina y de oxidación por nitrobenzol de los ácidos húmicos del suelo, Scharpenseel (1960) mediante procedimientos de cromatografía distributiva sobre papel, descubrió compuestos aromáticos de tipo pirocatequina, pirogalol, ácido protocatéquico. Se encontraron nitro-derivados de fenoles al oxidar ácidos húmicos de turbas con una solución de 𝐻𝑁𝑂3 al 10%. (Steelink, 1962), al oxidar los ácidos húmicos con una solución acuosa de 𝐶𝑢𝑂, obtuvieron una mezcla de aldehídos y ácidos fenólicos, (vainillina, aldehído siríngico, ácidos para – y meta- oxibenzoicos, vainillico y otros), los cuales fueron descubiertos por método de cromatografía distributiva en papel. Se exponen los espectros infrarrojos para el ácido húmico del chernozem revelan la presencia de bandas de absorción que caracterizan las oscilaciones de en las siguientes agrupaciones atómicas: 1.700 𝑐𝑚−1 (5’88 µ). Las oscilaciones de 𝐶 = 𝑂 del carboxilo (carbonilo) se encuentran los ácidos alifáticos y aromáticos. 1.585 𝑐𝑚−1 (6’31 µ) oscilaciones de valencia de los enlaces dobles adjuntos del carbono 𝐶 = 𝐶, que testimonian la presencia de la rejilla aromática del carbono. La alta intensidad de esta banda de absorción puede ser explicada por una amplificación a causa de la presencia de las quinonas y oxinonas y, también, del nitrógeno de 𝐶 = 𝑁 (Las formas cíclicas del nitrógeno son típicas para los ácidos húmicos del chernozem). 1.375 𝑐𝑚−1 (7’28 µ) caracteriza la presencia de 𝐶𝐻3 , 𝐶𝐻2 de las agrupaciones alifáticas. 1.207 𝑐𝑚−1 8′ 29 µ y 1.010𝑐𝑚−1 (9′9 µ) responden a las oscilaciones de valencia de 𝐶 − 𝑂 o las oscilaciones de deformación de 𝑂𝐻 de alcoholes, ésteres y ácidos. En el estudio comparativo de distintos suelos, los autores registran un mismo tipo de carácter de espectros infrarrojos, lo que puede servir como indicación de la similitud de la constitución de éstos ácidos. 55 4.2.3 ¿Cuál es la importancia del nitrógeno en los ácidos húmicos? En la actualidad el nitrógeno se considera como parte constitucional de las moléculas de los ácidos húmicos; su contenido es del 3.5 – 5.0%. Por investigaciones anteriores, se había establecido que la hidrolisis ácida de los ácidos húmicos, aproximadamente la mitad del nitrógeno pasa a la solución. En los hidrolizados se ha descubierto una gran diversidad de aminoácidos y, entre ellos, también aromáticos. (Anderson, 1965.) Encontró purinas pirimidina, los cuales son derivados de ácidos nucléicos. En el residuo de los ácidos húmicos después de la hidrolisis ácida, (Flaig, 1988), descubrieron unas formas cíclicas de nitrógeno del tipo indol. La mayoría de los autores señalan que el contenido de aminoácidos de los ácidos húmicos de distintos suelos, es en general homogéneo. Estas diferencias están condicionadas por la posición del nitrógeno en las moléculas de las sustancias húmicas, los más resistentes a la hidrolisis ácida son los ácidos húmicos del chernozem, donde el nitrógeno está representado preferentemente por las formas cíclicas y en menor proporción, situado en los enlaces que unen los núcleos aromáticos o bien en las cadenas periféricas. A juzgar por el porcentaje de nitrógeno hidrolizable en los ácidos húmicos del podosol y sobre todo, en los fulvoácidos el nitrógeno está representado principalmente por las dos últimas formas y en menor grado, forma parte de los compuestos cíclicos. No cabe duda que por la situación del nitrógeno en las moléculas de las sustancias húmicas, se determina en cierta medida su accesibilidad a los microorganismos y, por consiguiente a la planta. Con forme los datos expuestos, se puede pensar que el nitrógeno de las sustancias húmicas en los suelos podosol es más móvil que en los chernozem. 56 4.2.4 ¿Qué características dan los grupos funcionales a los ácidos húmicos? Los ácidos húmicos se caracterizan por los grupos funcionales carboxílicos e hidroxilos fenólicos, cuyo hidrogeno es susceptible a las reacciones de sustitución. Por la presencia de estos grupos se determinan las propiedades ácidas y la capacidad de cambio de los ácidos húmicos. La reactividad de las sustancias húmicas y por tanto, sus efectos sobre el suelo y las plantas están estrechamente relacionados con el tipo y concentración de grupos funcionales de las mismas (Tabla 9), especialmente con los grupos oxigenados como: carboxilos, alcoholes, hidroxilos fenólicos y carbonilos. Además, la presencia de grupos nitrogenados está ampliamente demostrada (Varanini et al., 1995). Tabla 9 Grupos funcionales presentes en las sustancias húmicas. GRUPOS FUNCIONALES DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS (Varanini et al., 1995) 57 4.3 ESTRUCTURA DE LAS MOLÉCULAS DE ÁCIDOS HÚMICOS. A lo largo de los años, se han propuesto diversos modelos estructurales para las sustancias húmicas (Stevenson, 1994), pero, ninguno ha resultado completamente satisfactorio. No obstante, de acuerdo con (Flaig, 1988), no sería necesario averiguar exactamente la estructura de las SH para conocer de forma aceptable la función de las mismas. Recientemente el empleo de modernas técnicas analíticas como la RMN ' 3C, la resonancia de espín electrónico, la pirólisis-espectrometría de masas y la extracción con gases en estado supercrítico, ha servido para tener un conocimiento más preciso de dichas estructuras. Con los datos de que se disponen se ha podido establecer que las moléculas de SH poseen gran cantidad de anillos aromáticos unidos entre sí y con cadenas alifáticas, formando el esqueleto central de estos compuestos(Varanini et al., 1995). La unión de estos bloques estructurales daría como resultado la formación de complejas macromoléculas, cuyas dimensiones pueden variar desde unos pocos cientos a varios miles de Da para los ácidos fúlvicos hasta varios cientos de miles para los ácidos húmicos. Unidos a ese núcleo central se encontrarían las sustancias no húmicas. En la Figura 15 podemos ver el modelo propuesto por (Schulten, 1992) 58 59 Figura.- 15 Modelo de la estructura de ácidos húmicos.(Schulten, 1992) 4.3.1 ¿Cuáles son los principios en la estructura de estas moléculas de ácidos húmicos? En la actualidad, los ácidos húmicos se refieren a la categoría de los compuestos polímeros, que están constituidos por monómeros, formados a su vez por unidades estructurales (Scheffer, 1960 ). Figura 16. Figura.- 16 Estructura de una molécula húmica segun Thiele y Kettner, 1953 Según la idea, la unidad microestructural se compone de: 1) núcleo, 2)cadenapuente, 3) grupos reactivos. Se presenta el siguiente ejemplo de constitución de la unidad microestructural: Según Rakovky, figura 17. : Figura.- 17 Modelo microestructural segu Rakovky, 1963. 60 Figura.- 18 Estructura de la molécula del ácido húmico.(1)Núcleo aromatico del tipo fenol de dos o 3 átomos, de los cuales posee dobles enlaces de los grupos quinónicos(2)Nitrogeno en formas cíclicas(3)Nitrógeno de las cadenas periféricas(4)Restos de carbohidratos. Dragunov, 1948. Según Dragunov. Figura 18.: . 61 Es decir la naturaleza de las unidades estructurales de las moléculas de ácidos húmicos, entre las cuales, las fundamentales son compuestos aromáticos de tipo fenólicos nitrogenados, tanto cíclicos (indol, pirimida, purinas y otros), como aminoácidos alifáticos. 4.3.2 ¿Qué tipo de idea representa el esquema de Dragunov? Se considera la participación del nitrógeno y los núcleos aromáticos están unidos por puentes de −𝐶 − 𝑂 − y que la molécula húmica tiene forma lineal. 4.3.3 ¿Las sustancias húmicas tienen una forma definida? Conforme a los datos de determinación de la viscosidad, del coeficiente de difusión y las observaciones al microscopio electrónico, Beutelspacher y Flaig (Beutelspacher, 1952 y Flaig 1954, llegan a la conclusión de que los ácidos húmicos representan en sí esferocoloides, a valores ácidos de pH estas partículas son propensas a la coacervación, la agregación de las partículas de los ácidos húmicos en medio ácido se efectúa a través de un puente de hidrogeno Flaig, 1958, así como el diámetro de las partículas oscilan entre 80 y 100 Å. Tambien Zolotarevskaya y Kujurenko 1953, realizaron investigaciones con ayuda de microscopia electrónica, las cuales demostraron que los ´ácidos húmicos están representados por pequeñísimas partículas esféricas, tendentes a unirse en cadenas, formando agregados parecidos a racimos de uvas . 62 CAPÍTULO 5. PROCESO DE FORMACIÓN DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS 63 5.1 - GÉNESIS Y PROPIEDADES DE LAS MOLÉCULAS HÚMICAS. En 1831, Berzelius relataba la obtención y purificación de los compuestos húmicos, por extracción alcalina de mantillos y turbas, de un compuesto al cual dio nombre de geina, pero parece que Dobereiner (citado por Du Menil, 1826), y luego Espergel (1826) fueron los primeros en aplicar el termino de ácido húmico, mostrando su propiedad de precipitar por adición de ácido clorhídrico. Tales compuestos han aparecido a priori diferentes de los ácidos créinco y apocrénicos hidrosolubles, extraídos de suelos (Berzelius, 1834), así como de los compuestos amarillos, o ácidos fúlvicos, no precipitados por ácidos minerales (Oden, 1914). La química del humus no se desarrolló en realidad hasta que los suelos y humus empezaron a ser reconocidos y clasificados. Una primera aproximación ha consistido en inventariar las sustancias húmicas con base en sus similitudes analíticas, mientras que las técnicas de extracción se ha ido diversificando poco a poco. Entre los criterios de caracterización general de la materia orgánica de un suelo o un horizonte se suele utilizar el grado de extracción (Duchaufour 1966), el grado de humificación y la relación de ácidos fúlvicos/ácidos húmicos. Una vía de aproximación más “genética” estudia los precursores de las sustancias húmicas, sus orígenes y sus transformaciones. La química del humus, en este aspecto, se ha beneficiado del progreso de otras disciplinas. Con los descubrimientos de las proteínas, de las clorofilas y de los ácidos nucléicos y gracias a la identificación de los precursores polifenólicos y al estudio de la lignina, se ha podido desarrollar hipótesis estructurales precisas de las sustancias húmicas. 64 En calidad de ácidos policarboxílicos y polihidroxilados, los compuestos húmicos son susceptibles de formar con los cationes del suelo combinaciones que pueden ir de la forma salina a los complejos, incluso los quelatos más estables. Estas combinaciones influyen en la estabilidad del constituyente órgano-mineral. Por sus propiedades coloidales y su afinidad por los cationes, las sustancias húmicas y sobre todo los ácidos grises, están a menudo asociados a una cantidad importante de arcillas finamente dispersadas, tanto en suelos como en extractos alcalinos. 5.2 TRANSFORMACIÓN DE LOS PRECURSORES HÚMICOS. En el origen de la formación de los compuestos húmicos de los suelos intervienen las reacciones bioquímicas que participan en el proceso general de senescencia de los organismos vivos, vegetales, animales o microorganismos. Estas reacciones líticas, están ampliamente subordinadas a la evolución estacional de la cobertura vegetal que, por medio de los exudados foliares o de la raíz (Mangenot, 1974) y por la descomposición de hojarasca (Kilbertus, 1970; Toutain, 1974), suministrara la mesofauna y a los microorganismos del suelo un amplio abanico de substratos orgánicos y minerales por reacciones de lignólisis. 5.2.1 ¿Qué relación tiene la ligninólisis con las sustancias húmicas? Numerosas cepas fúngicas llegan a solubilizar la lignina por hidrolisis extracelular de los enlaces éter. Las principales transformaciones que experimenta la lignina conducen a la ruptura de las cadenas propílicas, hasta la apertura de los núcleos aromáticos (Maider y Martin, 1975). De esta forma se liberan diversos compuestos fenólicos simples, que se extraen por disolventes acuosos o alcalinos suaves (Bruckert et al., 1967) y que pueden ser degradados, o bien oxidados en policondensados pre húmicos. Figura 19. 65 La ligninólisis suele ser un proceso lento a causa de la propia estructura de la lignina, polímero muy estable, formado principalmente de unidades 𝐶6 − 𝐶3 (fenilpropanos), se han descrito diversas hipótesis estructurales, pero han sido sobre todo los trabajos de Freudenberg (1960). Las ligninas de los diferentes vegetales se caracterizan, después de la oxidación con nitrobenceno (Morrison, 1963), por la relación de aldehídos vanilico, siríngico y p-hidroxibenzoico obtenidos. Figura.- 19 Degradación de las cadenas guayacil-glicerol-B- coniferilicas por hongos lignofilicos (Según Nord, 1964 y Haider y Martin, 1967) 66 5.2.2 ¿Qué es la condensación de polifenoles? Todos los compuestos dihidroxilados que provienen de la lignina o de los pigmentos celulares experimentan, a temperatura ambiente y al pH delos suelos, oxidaciones que las transforman en semiquinonas, las cuales se polimerizan espontáneamente (Flaig, 1964, Andreux et al., 1971; Andreux, Schwartz, 1975). La oxidación esta catalizada por las polifenoles-oxidasas y puede estar favorecida por una descarboxilización oxidativa previa de los ácidos fenólicos o por una hidroxilación enzimática de los núcleos aromáticos. La oxidación de los difenoles en presencia de proteínas es la base de la teoría ligno-proteica de Waksman (1936) para la formación de compuestos húmicos. La incorporación de las proteínas se efectúa por adición de grupos −𝑁𝐻2 a los nucleos aromáticos, según un mecanismo análogo a la etapa lenta del curtido. Mason (1955) ha propuesto un mecanismo detallado en el caso del catecol Figura 20. Figura.- 20 Esquema de las reacciones entre aminoácidos y polifenoles en condiciones oxidantes. (Duchaufour, 1984). 67 Se puede producir una desanimación oxidativa secundaria de los αaminoácido comparable a la relación de Strecker (Trautner y Roberts, 1951; Flaig y Reimer, 1971.) y conducir la liberación de 𝑁𝐻3 , que puede o no fijarse en los núcleos aromáticos. 5.2.3 ¿A qué sustancias les llamamos compuestos heredados? Los compuestos inextractables de la humina pueden ser los cuerpos bacterianos y las hifas de los hongos, que caracterizan la humina microbiana (Mayaudon y Simonart, 1963; Martin et al., 1974; Guckert, 1973), o bien los residuos lignicos fuertemente pigmentados en negro (humina heredada) característicos de suelos con lignólisis retardada. Si la solubilizarían de la lignina esta retardada, la policondensación de los productos de fragmentación puede ser extremadamente rápida, en especial cuando el pH es poco ácido como en los suelos carbonatados (Jacquin y Le Tacon, 1970, Choluliaras, 1976). En estas condiciones, los polifenoles se policondensan en compuestos negros que precipitan en in situ y secuestran así los residuos de las ligninas. 5.3 SÍNTESIS HÚMICA. En los suelos, los precursores de los ácidos húmicos son renovados continuamente; las relaciones de policondensación pueden proseguir para formar estructuras tridimensionales amorfas, mediante la creación de enlaces 𝐶 − 𝐶 o 𝐶 − 𝑂 − 𝐶 (Mason, 1955; Martin et al., 1974), que se pueden calificar de macromoléculas. Estos productos de condensación se estabilizan debido a la neutralización de sus puntos más reactivos por los cationes polivalentes y por los soportes minerales 68 del suelo, pero la diversidad de los precursores hace que no se llegue a una única estructura molecular, son a estructuras moleculares muy polimerizadas. 5.3.1 ¿Qué participación tienen los compuestos nitrogenados? La dinámica del nitrógeno orgánico tiene una influencia determinante en la estructura química de los compuestos húmicos (Bremer, 1965; Decau, 1967; Kononva, 1966, 1972; Jocteur-Monrozier, 1977). Según el caso, algunos compuestos húmicos tendrán una naturaleza esencialmente proteica –humoproteinas - o serán, por el contrario, poco nitrogenados. En los suelos continentales, la mayor parte del nitrógeno aminado no detectado por los métodos sencillos (nihidrina) está en forma aminofenolica. El nitrógeno heterocíclico es poco abundante. En los sedimentos marinos, los precursores son esencialmente glúcidos, proteicos y poco poli fenólicos (Huc, 1973). 5.3.2 ¿Cuál es la influencia de los polifenoles en las sustancias húmicas? Según Musso y Figge (1961), la velocidad de hidrogenación catalítica de las quinonas aumenta con su potencial redox, el cual está en función del grado de sustitución del ciclo. Recíprocamente la velocidad de reacción varía según la estabilidad de la forma quinónicos de los policondensados pre húmicos in situ, está en función no solo de su abundancia, sino sobre todo de su reactividad. Así, la incorporación de hojarasca a un mull cálcico confiere a este humus nuevas características debidas a la rápida oxidación del trihidroxi-1, 4,5-naftaleno, en una naftoquinona, la juglona, que se integra a los policondensados húmicos . Por el contrario, los M. difenoles no pueden oxidarse espontáneamente y necesitan hidroxilación intermedias para integrarse en los compuestos húmicos . 69 5.3.2 ¿Qué características tienen el núcleo y las cadenas de una molécula húmica? La estructura de la macromolécula húmica se describe esquemáticamente como un núcleo C-C o C-O-C. Sobre este núcleo están fijadas con frecuencia de distribución variable según el tipo de suelo y precursor, cadenas proteicas y polipeptídicas, a través de grupos de αaminoácidos de los aminoácidos N-terminales, o de los grupos ε-aminoácidos de la lisina (Haider et al., 1965; Piper y Posner, 1972). El tamaño molecular de tales estructuras está en función de la dimensión del núcleo, y por tanto de la naturaleza de los precursores fenólicos, mientras que su afinidad para los disolventes acuosos depende del numero y de la longitud de las cadenas hidrófilas periféricas portadoras de grupos –COOH terminales de los polipéptidos. No obstante la acidez carboxílica de la matriz no es despreciable, corresponde por una parte a los ácidos fenólicos, y por otra, a las aperturas oxidativas de los ciclos en el curso de la polimerización; según los mecanismos propuestos por Czuchajowki Y Kreczec (1966). Figura 21. 70 71 Figura.- 21 Esquema estructural de dos macromoléculas de tipo húmico. Lado izquierdo: PM >50 000; Lado derecho: PM < 5 000 (solo los nucleos están representados a escala). (Duchaufour., 1984). CAPITULO 6. CARACTERIZACIÓN DE LAS SUSTANCIAS HUMICAS 72 6.1 GENERALIDADES La mayor parte de la materia orgánica del suelo está en forma insoluble . Los métodos de extracción deben tener en cuenta las distintas formas en que dicha materia orgánica es retenida (Stevenson, 1994) Como: 1.- complejos macromoleculares insolubles . 2.- Como complejos macro moleculares estabilizados por cationes di y trivalentes como 𝐶𝑎𝑒+, 𝐹𝑒 3+, 𝐴𝑙 3+. 3.- En combinación con minerales de arcilla mediante puentes de cationes polivalentes (arcilla-metal-humus), puentes de hidrógeno. 4.- Retenida interlaminarmente en los silicatos. Esta M.O.(Materia orgánica) no se solubiliza con la extracción convencional sino que deben destruirse previamente las arcillas con HF(ácidos fúlvicos). Cualquier procedimiento efectivo de extracción debe de tener en cuenta las propiedades de los extractantes a utilizar, los materiales a extraer y el tipo de asociación de los mismos con otros constituyentes del suelo (Hayes, 1985). Por tanto, existe una gran variedad de técnicas, que dependen del extractante y material a extraer. Así, para la extracción de compuestos no polares como grasas, ceras y resinas se utilizan disolventes orgánicos como hexano, éter, mezclas alcoholbenceno, etc. Mientras que para extraer monómeros como aminoácidos y azúcar emplean preferentemente las técnicas de hidrólisis (Drozd et al., 1996). 6.1.1 ¿Qué extractantes se utilizan para la caracterización de sustancias húmicas? Aunque cabría decir que el extractante ideal todavía está pordescubrir, en la elección del extractante podemos basarnos en cuatro criterios generales como, alta polaridad y constante dieléctrica para facilitar la dispersión de moléculas cargadas; pequeño tamaño, ya que de este modo penetra mejor en las estructuras húmicas ; 73 que tenga capacidad para romperlos puentes de hidrógeno establecidos y a la vez proporcionar grupos alternativos capaces de formarlos entre extractante y compuesto húmico y por último, que posea la capacidad para inmovilizar los cationes metálicos . de forma general, cuales son hoy en día los extractantes más utilizados : Extracción alcalina. El empleo de disoluciones alcalinas, generalmente NaOH, aunque también KOH, es la técnica más frecuente para extraer la materia orgánica del suelo. Además se trata del procedimiento más utilizado para la extracción de sustancias húmicas de tipo comercial. Aunque esta técnica es la más efectiva, alrededor del 80%, debido a su agresividad genera grandes alteraciones en la materia extraída. Extractantes suaves. Empleados como alternativa a la agresividad de los extractantes alcalinos: agentes complejantes como EDTA, acetilacetona, cupferrón y disolventes orgánicos de varios tipos como el tetrahídrofurano o dímetilsulfóxido . Sales neutras: De todas ellas, sin duda, la más utilizada es el pirofosfato sódico, que aunque muestra una efectividad extractora de un 30% tan sólo, produce mínimas alteraciones en la materia orgánica. 6.1.2 ¿Qué materiales húmicos se obtienen de la extracción? Los materiales húmicos obtenidos con pirofosfato, generalmente están más oxidados, con una mayor proporción de grupos funcionales y una mayor proporción de compuestos de bajo peso molecular que con NaOH. Además, las sustancias húmicas extraídas con pirofosfato son más aromáticas que las extraídas con sosa (Schnitzer et al., 1972). Tabla 10. Algunos autores, extraen la materia orgánica del suelo con una mezcla de extractantes como NaOH 0,1 M y Na4 P20 1 M , (Schnitzer et al ., 1981) para aumentar la efectividad . Posteriormente, éste mismo autor (Schnitzer et al., 1989), 74 propone una extracción secuencia de la materia orgánica, para aumentar la eficacia de los extractantes, superando de este modo el 80% de C y el 75% de N extraído: 1 . n-hexano, para extraer alcanos y ácidos grasos. 2 . Cloroformo, para ácidos grasos alcoholes de cadena larga y ésteres de ácidos grasos. 3. Na4 P20 0,1 M en atmósfera de 𝑁2 , para la materia orgánica "complejada" con metales y arcillas. 4 . NaOH 0,5 M en atmósfera de 𝑁2 , para la materia orgánica "libre". 5.𝐻2 𝑂 H2O, también para la materia orgánica "libre". Tabla 10 Extractantes para los constituyentes orgánicos del suelo. (Duchaufour, 1984). 75 6.2 FRACCIONAMIENTO Como hemos visto, las SH (sustancias húmicas) son una mezcla heterogénea en la que tendremos grandes dificultades a la hora de medir sus propiedades moleculares, por lo que una vez extraídas se hace necesario realizar como paso previo a su caracterización, un fraccionamiento que introduzca simplicidad en esta mezcla de estructuras muy complejas, figura 22. 6.2.1 ¿Cuál es el resultado del fraccionamiento de las sustancias húmicas? Se ha observado que los compuestos húmicos poseen un amplio rango de valores para una propiedad molecular determinada peso molecular, grupos funcionales, composición elemental. Así, el fraccionamiento se fundamenta en las diferentes propiedades de las sustancias húmicas. De todos los fraccionamientos posibles, el más frecuente es el que se basa en la distinta solubilidad de los diversos grupos de compuestos integrados en la materia orgánica frente al pH. Ácidos húmicos: Como la fracción insoluble en agua en condiciones ácidas (pH<2) pero soluble a valores mayores de pH. Ácidos fúlvicos: A la fracción soluble en agua en todo el intervalo de pH. Humina: Fracción insoluble a cualquier valor de pH. Figura.- 22 Fraccionamiento de las suatancias húmicas. (Stevenson, 1994). 76 Una vez precipitados los AF podemos obtener la fracción fúlvica pura mediante absorción-desorción sobre una resina XAD-8, (Stevenson, 1994) los AH y AF son más activos químicamente mientras que la humina presentaría una mayor inercia. Figura 23, se muestra gráficamente el método de extracción de las sustancias húmicas. Figura.- 23 Aislamiento de ácidos húmicos y fúlvicos por Achard (1786). 77 Las distintas fracciones así obtenidas presentan propiedades físicas y químicas diversas. Los AF poseen menores pesos moleculares, mayores contenidos de Oxígeno y menores de Carbono que los AH . También la acidez total de los AF (900-1400 meq/1 00g) es considerablemente mayor que para los AH (500-870 meq/100g) . La acidez y la CIC de las SH se atribuyen principalmente a la presencia de H disociable en los grupos carboxilo y fenólicos (Schnitzer et al., 1972), figura 24. Figura.- 24 Esquema de fraccionamiento de sustancias húmicas según Schnitzer, 1972). 78 6.2.2 ¿Qué características con respecto a la solubilidad se aprecian en las sustancias húmicas? Para el estudio de las propiedades químicas y coloidales de la materia orgánica en el suelo y más concretamente las sustancias húmicas, es necesario su aislamiento de la matriz inorgánica que está asociada a ella mediante la extracción química con disolventes. En base a su solubilidad, las sustancias húmicas pueden clasificarse en tres grupos universalmente reconocidos: Ácidos húmicos (AH): Extraíbles en medio alcalino y que precipitan al acidificar. La base de su estructura está formada por un gran grupo de estructuras aromáticas y cadenas alifáticas. Poseen diversos grupos funcionales tales como hidroxilos, carboxilos, metoxilos, fenólicos, etc. Son de color pardo oscuro y peso molecular muy alto. Fracción fúlvica (FF): Extraíble en medio alcalino y cuyos componentes permanecen en disolución después de acidificar el extracto. Poseen una estructura relativamente similar a la de los AH pero con un menor peso molecular. También están menos polimerizados y contienen una mayor proporción de cadenas alifáticas, a la vez que son más ricos en grupos fenólicos, hidroxílicos, carboxílicos y cetónicos. Huminas: No son extraíbles con disoluciones alcalinas. Debido tanto a su insolubilidad como a su naturaleza macromolecular, la humina ha sido la fracción húmica menos estudiada de todas. Gracias a técnicas como la resonancia magnética nuclear (13C-RMN) en estado sólido, se ha podido dilucidar en parte su composición y estructura. Dependiendo de la naturaleza del material húmico, se considera en general que las huminas poseen una estructura muy similar a la de los AH, tanto por su composición elemental como por su contenido en grupos funcionales, diferenciándose de éstos en una menor aromaticidad, debida al mayor contenido de polisacáridos alifáticos presentes en la estructura de las huminas (Hatcher y col., 1985). 79 6.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS. El hecho de que las sustancias húmicas estén constituidas por una compleja mezcla de moléculas, hace su estudio particularmente difícil si lo comparamos con el de moléculas discretas. La composición de estas sustancias varía en gran medida dependiendo del material de partida y del método de extracción, por lo que para una buena caracterización de las mismas es necesario normalmente aplicar más de un método analítico. 6.3.2 ¿Qué técnicas son utilizadas para la caracterización de las sustancias húmicas? Entre las técnicas más comunes para su caracterización podemos destacar el análisis elemental, con el que generalmente se determinan carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y oxígeno, así como el análisis del contenido de grupos funcionales tales como hidroxilos, carboxilos, carbonilos y la acidez total. El fraccionamiento según su tamaño molecular mediante técnicas de cromatografía sobre gel en columna, o el estudio espectroscópico en el visible, ultravioleta e infrarrojo son también técnicas muy comúnmente empleadas. También se pueden caracterizar por métodos degradativos, que a su vez pueden ser degradaciones oxidativas, reductivas, térmicas, etc. Actualmente se ha ampliado el conocimiento de la naturaleza y estructura química de las sustancias húmicas, gracias al continuo y rápido progreso que se está llevando a cabo en el desarrollo y aplicación de nuevas técnicas analíticas. Algunas de estas técnicas con las que podrán dilucidarse muchas incógnitas sobre estructura, composición química, origen y mecanismo de formación de estas sustancias son: • Análisis elemental en combinación con la determinación de los grupos funcionales. • Espectroscopia de infrarrojo. • Técnica combinada de cromatografía líquida y espectrometría de masas 80 (LC/MS). • Cromatografía de gases combinada con la espectrometría de masas (GC/MS). • Combinación del bombardeo atómico rápido y espectrometría de masas(FAB/MS), técnica usada cuando los productos de degradación no sean sensibles a GC/MS. • CP/MAS (Polarización cruzada/Rotación de ángulo mágico) 13C-RMN. • 1H-RMN en estado sólido, para complementar los espectros de CP/MAS. Hasta la fecha, estas dos últimas técnicas espectroscópicas de RMN están siendo muy utilizadas debido a que permiten una mejor percepción de la estructura química de los AH, pudiendo proporcionar las “huellas dactilares” del carbono e hidrógeno de los compuestos constituyentes de una muestra sólida de AH sin deteriorarla. 81 PALABRAS CLAVE A H acción entrópica del suelo: La conformación de grandes horizonte 𝐴1: Horizonte A1; rico en materia orgánica por núcleos urbanos ha creado enormes presiones sobre lo que es oscuro y se encuentra fuertemente el ambiente, tanto por la transformación y desorden humificado y el humus asociado en gran medida a la del suelo, como por la demanda de servicios en el fracción mineral ........................................................32 sistema ciudad, por lo tanto el aumento en la entropía de un sistema aumenta automáticamente el I desorden de dicho sistema ....................................... 25 andosoles: suelos de origen volcánico de color oscuro y muy porosos. ............................................................ 32 imogolita: Componente de amplia distribución de los suelos formados a partir de la acumulación de ceniza volcánica, es un silicato de aluminio hidratado, del C tipo arcilla. Las partículas microscópicas que lo forman tienen una morfología de finos tubos de 20 Å cementación: La cementación suele ser el resultado de la (1 Å= 1 x 10-10 m = 0,1 nm) de diámetro. ................23 precipitación y cristalización de un compuesto. El carbonato cálcico es uno de los más importantes L agentes cementantes. .............................................. 16 lignólisis.: Proceso de formación de humus por E transformación de la materia orgánica y alimenticia 73 lixiviación: La lixiviación es un proceso por el cual se esmectita: Son un conjunto de minerales que se dividen extrae uno o varios solutos de un sólido, mediante la en dos grupos Las dioctaédricas (alumínicas) y Las utilización de un disolvente líquido. Ambas fases trioctraédricas (magnésicas).Suelen presentarse en entran en contacto íntimo y el soluto o los solutos agregados laminares o en masas suaves y blandas. pueden difundirse desde el sólido a la fase líquida, lo Estos minerales suelen precipitar en cuencas que produce una separación de los componentes sedimentarias endorreicas con pH alcalino y gran originales del sólido. .................................................22 concentración iónica. También pueden aparecer como productos de alteración hidrotermal de rocas M ácidas o neutras y son empleados en arenas de moldeo, como lodos de sondeo, para la fabricación de jabones, en cosmética, como carga de papel. .......... 22 materia orgánica: sustancias del suelo que son degradadas ............................................... 1, 3, 4, 5, 15 82 P podsolización: La podsolización es el lavado (concretamente, queluviación .................................. 54 pseudo-limos: Composición de gel con altas cantidades a agua atrapadas en una red de minerales alofánicos y X xenobióticos: Se aplica a los compuestos cuya estructura química en la naturaleza es poco frecuente o inexistente debido a que son compuestos sintetizados por el ser humano en el laboratorio. ........................21 materia orgánica conformando los complejos órganominerales típicos de los Andosoles. .......................... 32 83 BIBLIOGRAFÍA Achard, F. K. (1786). Chemische untersuchung des torfs. 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