Sustancias húmicas

Introducción
Sustancias húmicas en el mar
Clasificación de las sustancias húmicas
Formación de las sustancias húmicas
Distribución de las sustancias húmicas en el medio marino
Caracterización de las sustancias húmicas
Análisis y cuantificación de las sustancias húmicas
Reacciones de las sustancias húmicas
Reacciones con metales
Reacciones con contaminantes
Las sustancias húmicas como indicadores de contaminación
Papel de las sustancias húmicas en la productividad acuática
Interacción de las sustancias húmicas con los principales nutrientes
Nitrógeno
Fósforo
Resumen
Bibliografía
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Introducción
La materia orgánica que se encuentra en el agua del mar consiste en una mezcla compleja de sustancias como
carbohidratos, proteínas, péptidos, aminoácidos, lípidos, hidrocarburos, ácidos carboxílicos, compuestos
fenólicos, vitaminas, macromoléculas y coloides naturales como las sustancias húmicas, fitoplancton y otros
materiales de origen vegetal (Riley, 1970; Williams, 1975).
Las algas, las bacterias, los detritus y restos vegetales, son materia orgánica en forma particulada (POM). Las
concentraciones de POM son muy variables de una parte a otra del océano aunque sólo son una pequeña parte
de la materia orgánica total. El resto de la materia orgánica en el mar está en forma disuelta (DOM).
Normalmente se utilizan filtros de fibra de vidrio de 0,45 µm de diámetro de poro para separar la DOM de la
POM. El material retenido en el filtro es utilizado para analizar la POM y en el agua filtrada se analiza la
DOM. Esta separación no es clara ya que normalmente se encuentra un continúo de tamaños. La DOM está en
aguas superficiales en una concentración entre 1,35 y 5,5 mg C/l de agua. Generalmente las concentraciones
mas altas son medidas en las masas de agua de regiones costeras, y las mas bajas en las masas de agua de los
océanos profundos y sobre todo en medio de los giros geostróficos.
A pesar de sus bajas concentraciones, DOM y POM juegan un papel importante en la química y la biología
del agua del mar. Son fuente de energía para invertebrados y algas, además son una buena fuente de alimento
para las comunidades del bentos. También reaccionan con metales traza para formar complejos
organometálicos, haciendo así solubles estos metales y disponibles para el plancton.
La DOM es una mezcla heterogénea de polímeros alifáticos y aromáticos y su composición varía en el tiempo
y el espacio dependiendo de la proximidad a las fuentes y su exposición a los procesos de degradación.
Aunque la mayoría de la materia orgánica producida por los organismos fotosintéticos se degrada
rápidamente, un gran número de compuestos orgánicos son liberados en el mar como resultado de la autólisis
y actividad vital de organismos marinos. Parte este material liberado está como DOM, y parte está como
POM. El fitoplancton es el productor principal de materia orgánica y es también el que mayores aportaciones
hace para la DOM. Durante su vida y crecimiento, el fitoplancton libera un gran número de productos
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fotosintéticos, las cantidades son diferentes de unas especies a otras. Williams (1975) apuntó que esa
liberación desde el fitoplancton es del 10 al 25% de su materia orgánica asimilada. Cuando mueren y se
descomponen las células de los organismos fotosintéticos, aportan al mar una cantidad considerable de DOM.
El zooplancton es también responsable de DOM, liberan materia orgánica soluble de sus cuerpos y excretan
materias fecales. La materia orgánica descargada por los ríos es otra fuente principal de DOM en aguas
costeras.
A pesar de que existen muchas bacterias y hongos especializados en degradar el material celular, muchos
compuestos orgánicos son resistentes a ésta degradación microbiana. Las sustancias húmicas están formadas
por los compuestos celulares originales resintetizados a partir de la materia orgánica disuelta y particulada por
la actividad microbiana. Así una cantidad considerable del carbono orgánico se convierte en un material
refractario que abandona el ciclo bioquímico de carbono o participa de él lentamente. Estos compuestos van a
parar a los sedimentos marinos, son sumamente complejos y son resistentes a la degradación, así permanecen
en la naturaleza millones de años. Menzel (1974) sugirió que aproximadamente 4% de toda producción
orgánica se convierte en sustancias húmicas. Esta estimación no puede ser aplicada para las aguas poco
profundas de áreas costeras, dónde los diversos parámetros fisicoquímicos y biológicos son muy variables. La
cantidad de DOM que se acumula en el océano es de aproximadamente 700 Gt de C de acuerdo con
estimaciones conservativas (Toggweiler, 1992). Esta concentración no es constante en los océanos, cambia
según la época del año, la profundidad y la latitud.
Los carbohidratos son probablemente el componente predominante de la DOM con concentraciones desde
200 a 800 µg/l (Williams, 1975). Los aminoácidos constituyen el segundo grupo principal, sus
concentraciones van desde 2 a 120 µg/l (Riley, 1970). Las concentraciones de lípidos son aproximadamente
de 0,15 a 0,31 µ/l. Estos compuestos son aproximadamente 10% de la materia orgánica disuelta (Duursma,
1965; Williams, 1975). El restante 90% es biológicamente refractario, estable bioquímicamente, de naturaleza
macromolecular y no ha sido totalmente caracterizado; son las sustancias húmicas del agua del mar, humus, o
gelbstoff (Duursma, 1965; Menzel, 1974).
Sustancias húmicas en el mar
Las sustancias húmicas son sumamente complejas en su composición y naturaleza química. Estos compuestos
representan la mayoría del carbono orgánico coloidal en el agua marina y originriamente se llamaron gelbstoff
(sustancias amarillas) por el color amarillo que desarrolló el agua en su presencia. Son complejos
macromoleculares coloreados, de carácter ácido con un rango de peso molecular que va de cientos a miles
(Wetzel, 1975). Gran parte de las sustancias húmicas se forma como resultado de la actividad microbiana
sobre restos de plantas y animales. El aporte anual de humus al agua de origen planctónico es
aproximadamente 4% de la producción primaria anual y estima que es 1,15 Gt de C. Cada año 0,18 Gt de C de
las sustancias húmicas solubles en agua de origen terrígeno entran en el océano. Así, la cantidad total anual de
sustancias húmicas en el agua de mar es 1,33 Gt de C (Skopintsev, 1971).
Dependiendo de las condiciones oceanográficas, hidrográficas, y condiciones geoquímicas del agua del mar,
el tiempo de residencia de las sustancias húmicas puede ser de varios cientos de años a muchos miles de años.
Según Skopintsev (1971), el tiempo de residencia estimado va desde 1000 a 1500 años, pero otras
investigaciones sugieren muchos períodos de tiempo mucho más largos. La media de edad en el océano
profundo de la materia orgánica disuelta es estimada en aproximadamente 3400 años (Arhelger et al. 1974).
La acumulación de carbono orgánico en los sedimentos es un proceso complejo. Los sedimentos costeros
generalmente están enriquecidos en carbono, con una concentración entre 2 y el 47%. Los sedimentos de mar
abierto son generalmente pobres en carbono orgánico (menos del 0,5%).
Las sustancias húmicas en aguas naturales son macromoléculas de carácter ácido, las cuales son relativamente
estables contra las degradaciones bioquímicas. Hay sustancias húmicas que son producidas in situ por
transformaciones microbianas desde una gran variedad de compuestos bioquímicos, derivados de las células
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muertas y de productos extra−celulares de diversos organismos acuáticos (proteínas algales, carbohidratos,
lípidos y fenoles). Otro grupo de sustancias húmicas en agua y sedimentos marinos son materiales alóctonos
transportados desde la zona terrestre a los océanos a través de ríos y otros cursos de agua; por eso las
concentraciones mas altas de estas sustancias húmicas se dan en las regiones costeras de los océanos. La
mayor parte de estas sustancias húmicas de procedencia terrestre están compuestas por lignina degradada
procedente de las plantas vasculares. Las sustancias húmicas forman complejos con una variedad de
compuestos orgánicos no húmicos como aminoácidos, carbohidratos, ácidos grasos, fenoles, y porfirinas; así
estos compuestos pueden ser protegidos de la descomposición microbiana.
La humificación ocurre bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas, aunque el proceso es especialmente intenso
bajo condiciones aeróbicas. Las sustancias húmicas del mar son precipitadas a través de los procesos de
floculación, absorción a partículas de minerales de la arcilla, incorporación en los paquetes fecales de
zooplancton, en la alimentación de los invertebrados, agregación en burbujas, y por factores hidráulicos que
regulan la deposición mecánica en sedimentos. Las sustancias húmicas en los sedimentos profundos están
ligeramente mas condensadas que en los sedimentos poco profundos, en las regiones costeras marinas se
encuentran en los sedimentos junto con arcillas y limos.
Las sustancias húmicas pueden tener efectos perjudiciales en ecosistemas acuáticos. La baja productividad en
un medio rico en sustancias húmicas puede ser por la inmovilización de micronutrientes, absorción de luz,
acidez excesiva, y posiblemente la presencia de sustancias antibióticas tales como fenoles. Sin embargo, los
efectos beneficiosos de las sustancias húmicas son mayores. Una de las funciones beneficiosas es la captación
de metales y las propiedades de intercambio catiónico, así las sustancias húmicas producen la detoxificación
de metales pesados y otras sustancias tóxicas disueltas. Las sustancias húmicas también pueden proporcionar
Fe3+ disponible para el fitoplancton. La captación y la liberación de PO43− por las sustancias húmicas puede
ser muy importante para la vida de organismos acuáticos. Pero sobre todo, el efecto más beneficioso se debe a
su contribución a la estabilidad de los ecosistemas acuáticos, ya que las sustancias húmicas son un deposito
importante de elementos nutrientes.
Clasificación de las sustancias húmicas
Las diferencias entre las moléculas de las sustancias húmicas son tan grandes que no es exagerado decir que
no hay dos moléculas exactamente iguales. Por tanto es muy difícil de subdividir estos compuestos. Para
intentar una clasificación se ha recurrido a las propiedades de solubilidad en disoluciones ácidas o básicas.
Los ácidos fúlvicos son solubles en medio ácido y básico. Muchos ácidos fúlvicos también son también
solubles en agua de mar. Son la fracción de bajo peso molecular de las sustancias húmicas. Están débilmente
aromatizadas, pobremente condensadas y tiene una mayoría de cadenas alifáticas. Están menos polimerizados
que los ácidos húmicos y generalmente están enriquecidos en grupos funcionales con oxígeno. Una vez
formados, los ácidos fúlvicos probablemente sufren reacciones de condensación para formar ácidos húmicos
más complejos.
Los ácidos húmicos son insolubles en medio ácido y son solubles en medio básico. Son la fracción de alto
peso molecular de las sustancias húmicas. Están mayormente condensados y polimerizados. Se extraen de
suelos, sedimentos, etc. Bajo condiciones oxidativas, los ácidos húmicos se pueden degradar a compuestos
más simples similares a los ácidos húmicos.
La humina es insoluble en disoluciones ácidas y básicas. Tiene uniones muy fuertes con los minerales de la
arcilla. Cuando se rompen estas uniones la humina es soluble en disoluciones alcalinas.
Formación de las sustancias húmicas
Las reacciones de humificación comienzan mediante reacciones químicas o bioquímicas realizadas por una
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gran variedad de microorganismos, los compuestos como proteínas, carbohidratos, ligninas, taninos, fenoles,
polifenoles, procedentes de la biomasa son parcialmente transformados en una serie de compuestos simples
que experimentan reacciones para formar nuevos compuestos. Estas reacciones son de polimerización,
repolimerización, condensación y recondensación; son complejas y no están suficientemente estudiadas.
Muchas de estas reacciones son facilitadas por enzimas liberadas por microorganismos. Las sustancias
húmicas formadas son una intrincada malla macromolecular de compuestos alifáticos y aromáticos.
Como ejemplos de los mecanismos de reacción que se pueden dar para la formación de sustancias húmicas
son las reacciones entre compuestos fenólicos y sustancias nitrogendas (fig 1), y reacciones de aminoácidos
con azúcares (fig 2).
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Figura 1. Reacciones de compuestos fenólicos con amoniaco (Ishiwatari, 1971).
Figura 2. Polimerización oxidativa de fenoles involucrados en el enlace de aminoazúcares (Martin et al.,
1975).
Las sustancias húmicas se forman por una secuencia complicada de la cual sólo se conocen en parte las
reacciones. Varias hipótesis se han barajado para dar explicación sobre su síntesis en la naturaleza.
Una teoría propone que macromoléculas como carbohidratos y proteínas son degradadas por el ataque
microbiano para formar el corazón de las sustancia húmicas; mientras que compuestos refractarios o
biopolímeros (e.g. lignina, parafina, melanina y cutina), son transformados para producir a una sustancia de
alto peso molecular precursora de la humina. La mayor oxidación de estos materiales genera grupos
funcionales con mayor contenido de oxígeno, las moléculas se vuelven bastantes pequeñas e hidrófilas como
para ser solubles en una disolución alcalina (ácidos húmicos). Eventualmente las moléculas se hacen más
pequeñas y se enriquecen más en oxígeno, así se disuelven en ácidos y bases (ácidos fúlvicos). La mayor
degradación produce estructuras que tienen algunas características originales pero que no se parecen
estructuralmente al material del que proceden.
Como alternativa, se ha desarrollado otra hipótesis que se basó en que los biopolímeros de las plantas son
inicialmente degradados hasta moléculas pequeñas, después éstas moléculas son repolimerizadas para formar
las sustancias húmicas. Se ha pensado que los polifenoles sintetizados por hongos y otros microorganismos,
conjuntamente con las sustancias liberadas de la degradación oxidativa de la lignina, experimentan
polimerización. Una consecuencia de este esquema es que los ácidos fúlvicos serían un precursor de los
ácidos húmicos para formar después la humina (todo lo contrario de la teoría degradativa). Esta hipótesis
podría explicar las observaciones donde hay una similitud considerable de sustancias húmicas que se
formaron a partir de una gran diversidad de macromoléculas precursoras en ambientes distintos.
Ambos caminos podrían contribuir a la formación real de sustancias húmicas dependiendo del ambiente. Por
ejemplo, la ruta degradativa podría predominar en sedimentos húmedos y en el ambiente acuático en general.
Considerando las condiciones en terrenos que están sujetos a los climas continentales áridos podría favorecer
un esquema de polimerización de condensación.
Distribución de las sustancias húmicas en el medio marino
La concentración y distribución de las sustancias húmicas en el medio marino es muy variable y está
directamente relacionada con la productividad primaria, la cual depende de las condiciones hidrodinámicas y
de otros parámetros ecológicos y medioambientales. La mayor concentración de DOM está en la capa
superficial (de 0 a 200 metros), con una media entre 1,35 y 5,5 mg/l de C.
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Como se ha dicho anteriormente, la mayor concentración de sustancias húmicas en los océanos es en las áreas
costeras, en la desembocadura de los grandes ríos a donde han sido llevadas desde un origen terrestre, también
en zonas de upwelling donde la productividad primaria es alta.
Caracterización de las sustancias húmicas
Los métodos espectroscópicos de infrarrojo (IR) y la espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear
(13C−NMR) son utilizados para indicar la presencia de grupos estructurales en las sustancias húmicas. Como
ejemplo en la fig. 3 se muestra un espectro de IR obtenido en ácidos fúlvicos y ácidos húmicos de un suelo y
en la tabla 1 hay información que puede usarse para interpretar este y otros espectros.
Figura 3. Espectro de IR de un ácido húmico (a) y de un ácido fúlvico (b) de un suelo. (Moturi, 1991)
Banda de Absorción
3400 cm−1
2920 cm−1
2860 cm−1
1720 cm−1
1630 cm−1
1540 cm−1
1420 cm−1
1240 cm−1
1050 cm−1
Asignación
Vibración de tensión de O−H en fenoles y cadenas alifáticas
Tensión asimétrica de C−H en −CH3 y −CH2
Tensión simétrica C−H en −CH3 y −CH2
Tensión del C=O en −COOH
Puede ser debido a la tensión C=C en anillos aromáticos, tensión asimétrica del
−COO−, C=O o tensión C=C conjugados con grupos carbonilo u otros dobles
enlaces
Tensión C=C aromáticos o deformación N−H
Flexión del O−H de alcoholes, ácidos carboxílicos y fenoles, o las
deformaciones C−H de grupos −CH2 y −CH3
Tensión del C−O y deformación O−H del −COOH
Puede ser debido a las deformaciones O−H y tensión del C−O en polisacáridos,
grupos fenólicos y alcohólicos, o Si−O de impurezas de silicatos
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940 cm−1
800 cm−1
Flexión del C−H aromático fuera del plano
Flexión del C−H aromáticos fuera del plano
Tabla 1. Algunas de las bandas observadas en el espectro de IR de ácidos fúlvicos y húmicos. (VanLoon,
2000).
Las características comunes en las bandas de IR para varias muestras de ácidos húmicos y ácidos fúlvicos
sugieren que hay grupos estructurales compartidos por todos los tipos de sustancias húmicas. En la fig. 3 las
bandas observadas son consistentes con la presencia de los grupos químicos esperados, incluyendo grupos
OH− fenólicos y alifáticos, grupos carbonilo y carboxilo. Además hay pruebas de aromaticidad y de uniones
covalentes en unidades alifáticas. La cuantificación de los grupos funcionales no es posible en el espectro de
IR.
En la tabla 2 podemos ver algunas características químicas de ácidos fúlvicos y húmicos como la composición
elemental, contenido en grupos funcionales y contenido en aminoácidos.
Composición elemental (%)
C
H
N
O
C/H
C/N
Contenido en grupos funcionales (meq/g de materia orgánica)
Acidez total
Carboxilo
Hidroxilo fenólico
Hidroxilo alcohólico
Carbonilo
Quinona
Contenido en aminoácidos (mg/g)
Aminoácidos básicos
Aminoacidos ácidos
Aminoácidos neutros
Aminoácidos aromáticos
Aminoácidos sulfurados
Total
Ácidos húmicos
Ácidos fúlvicos
50,2−63,8
5,5−7,0
3,6−5,6
24,1−40,6
7,8−10,8
11,4−13,9
38,4−48,7
4,3−6,6
2,6−5,2
41,8−54,5
6,9−8,9
9,4−14,8
2,0−7,0
2,0−5,0
0,0−2,5
0,0−3,0
3,0−6,0
1,8−2,8
2,0−5,5
1,0−4,0
0,0−1,0
nd
3,0−6,0
2,4−4,7
15,2−18,3
25,5−25,6
41,6−44,8
8,7−9,8
3,7−3,8
98−100
7,5
25,7
29,2
9,5
4,6
76,5
nd: no determinado
Tabla 2. Características químicas de las sustancias húmicas procedentes de sedimentos (Rashid, 1974)
Usando todos estos tipos de información, es posible desarrollar una idea de la estructura molecular de
substancias húmicas.
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Figura 4. Representación esquemática de una sustancia húmica marina. (SCOPE 13)
Las diversas interacciones que aparecen en la fig. 4 según Degens y Mopper (1976) son:
• Condensaciones entre compuestos orgánicos como proteínas, carbohidratos, lípidos, y lignina.
• Interacciones entre sustancias minerales y orgánicas como la condensación y la adsorción de
compuestos orgánicos en la superficie de minerales de la arcilla como la caolinita.
• Interacciones de compuestos orgánicos con iones metálicos que como resultado da un incremento en
el orden estructural de la sustancia húmica (formación de poliedros de coordinación con el ion
metálico). Los grupos funcionales de diferentes moléculas orgánicas pueden participar en esta
coordinación. La unión de compuestos orgánicos en los complejos metálicos protege a las sustancias
húmicas de la degradación biológica.
• Interacciones de los minerales de la arcilla con iones metálicos y compuestos orgánicos que se
producen cuando los átomos de oxígeno de la superficie del mineral participan en el poliedro de
coordinación del ion metálico.
• Formación de micelas. Las moléculas que contienen partes hidrófobas e hidrófilas (por ejemplo los
ácidos grasos) tienden a agregarse a fin de que la parte hidrófila interactúe con el ambiente acuoso, y
la porción hidrófoba este protegida del ambiente acuoso.
Análisis y cuantificación de las sustancias húmicas
La materia orgánica disuelta (DOM) juega un papel muy importante en los ecosistemas acuáticos. Su
concentración y composición influye directa e indirectamente en varias cosas como la biología (ecología
microbiana y del plancton, e.g. Williamson et al., 2001), la química (transporte y especiación de metales traza,
e.g. Berault et al., 1996; toxicidad de los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), e.g. Diamond et al.,
2000) y física (propiedades ópticas, e.g. Bricaud et al., 1981).
La complejidad química y la baja concentración de uno de los componentes principales de la DOM, las
sustancias húmicas disueltas, hacen que el balance del carbono oceánico sea especialmente difícil de conocer.
Los métodos usados para extraer la DOM de agua de mar en suficientes cantidades para su análisis
composicional precisan volúmenes grandes y largos tiempos de procesamiento de las muestras, introduciendo
la posibilidad de contaminación y de alteración química del material de partida y limitando el número de
muestras que pueden ser tomadas.
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La fracción ópticamente activa de la DOM se denomina Materia Orgánica Disuelta Coloreada (CDOM por
sus siglas en inglés) y además de absorber luz, es fluorescente cuando es excitada por luz de la región UV y
azul del espectro. Se han observado dos tipos de fluorescencia de DOM en agua de mar, uno de sustancias de
naturaleza húmica (De Souza Sierra et al., 1994), que ocurre entre 420−450 nm de excitación y entre 230−260
y 320−350 nm, y otro de sustancias de naturaleza proteica o aminoácidos (De Souza Sierra et al., 1994). La
fluorescencia de las sustancias de naturaleza proteica proviene de la fluorescencia de aminoácidos aromáticos,
ya sea de aminoácidos libres o como componentes de proteínas, y se observa en una emisión 300−305 nm
(sustancias de naturaleza proteica−tirosina) y 340−350 nm (sustancias de naturaleza proteica−triptófano) a
una excitación entre 220 y 275 nm (Wolfbeis, 1985).
Las matrices de excitación−emisión (EEMs), que se generan a partir de una amplia serie de espectros de
emisión, aportan una detallada información para identificar grupos de compuestos fluorescentes en mezclas
complejas, como el agua de mar. La espectroscopía de fluorescencia permite de esta forma obtener
información sobre el tipo y concentración de fluoróforos, siendo además una técnica fácil y rápida. El análisis
de las distintas matrices que se pueden obtener, permiten la caracterización de la DOM, su cuantificación y
una aproximación a su dinámica en relación a procesos físicos y biológicos. Por ejemplo, la espectroscopia
EEM ha sido aplicada correctamente para diferenciar entre CDOM de origen terrestre y marino (Coble, 1996).
La fluorescencia es un fenómeno que ocurre en las sustancias y que puede explicarse de la siguiente manera.
Cuando un átomo absorbe luz (energía), un electrón es excitado y salta a un orbital desocupado. La diferencia
de energía entre el estado fundamental (S0) y los estados excitados (S1, S2 o más alto) determina las
longitudes de onda en las cuales la luz es absorbida. La excitación es entonces seguida por una relajación
no−radiativa para el subnivel menor del estado S1. La fluorescencia aparece cuando el electrón vuelve al
estado fundamental (S0). La longitud de onda de la emisión de fluorescencia es determinada por la diferencia
en la energía entre los estados S1 y S0. Cuanto mayor sea la conjugación en la molécula, inferior será la
diferencia en la energía, y resulta una longitud de onda más larga de fluorescencia.
La espectroscopia de fluorescencia se ha usado para caracterizar la materia orgánica disuelta (DOM)
en muestras concentradas y no concentradas de agua de una gran variedad de agua continental, y de
ambientes costeros y marinos. Las sustancias húmicas, tienen un espectro de absorción de luz con una
forma marcadamente exponencial, decreciente con la longitud de onda, con valores más elevados en la
región ultravioleta y azul del espectro (350−450 nm) y mínimos en la zona de 650 nm en adelante.
Debido a su origen, no es posible considerar como invariables en el tiempo a estos valores de absorción,
aunque son bastante constantes en períodos de unos pocos días o inclusive semanas.
En la tabla 3 se muestra una lista los picos de fluorescencia más comunes para cada grupo identificado en
agua de mar. Los picos son designados por letras ya que la composición química es desconocida por el
momento.
Pico
B
T
A
M
C
Descripción
Sustancias de naturaleza proteica−tirosina
Sustancias de naturaleza proteica−triptófano
Sustancias de naturaleza húmica (UV)
Sustancias de naturaleza húmica marina
Sustancias de naturaleza húmica (visible)
Exmax (nm)
275
275
260
312
350
Emmax (nm)
310
340
380−460
380−420
420−480
Tabla 3. Fluorescencia identificada en agua de mar. (Coble, 1996)
La fluorescencia de las sustancias de naturaleza húmica son dos picos, una estimulada por la excitación UV
(pico A) y otro por la excitación en visible (pico C). Para todas las muestras, las posiciones de los máximos de
excitación y de emisión para el pico C dependen de la longitud de onda de observación. La tendencia que fue
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observada es que la posición de la longitud de onda es independiente del máximo de fluorescencia
(Exmax/Emmax) para el pico C, con un máximo a una menor longitud de onda de excitación y de emisión
para muestras marinas que para muestras de agua dulce. Las diferencias sugieren que las sustancias húmicas
en aguas superficiales marinas es químicamente diferente a las sustancias húmicas en los otros ambientes
estudiados. Estos resultados explican trabajos previos que estudiaron las propiedades de fluorescencia de
DOM de aguas naturales y también proporcionan una manera de distinguir entre las fuentes de masas de agua
en el océano.
Figura 5. Picos de fluorescencia de sustancias húmicas. (Coble, 1996).
En la fig. 5, las secciones paralelas al eje x representa espectros de emisión y las secciones paralelas al eje y
representan espectros de excitación.
La espectroscopía de emisión−excitación de matrices (EEMs) ha sido aplicada con éxito para el estudio de la
DOM del agua de mar, la cual es una mezcla compleja de compuestos fluorescentes (Coble et al., 1993). Es
suficientemente sensible como para permitir análisis de DOM sin concentrar el agua de mar, y es lo
suficientemente rápida como para ser útil en investigaciones de variaciones pequeñas de la composición de
DOM. Cada EEM representa una cantidad enorme de información espectroscópica perteneciente a la
composición química de cada muestra.
La EEMs ofrece varias ventajas principales sobre las metodologías de barrido sencillas. Una vez que el EEM
ha sido completamente corregido para la configuración instrumental (Coble et al., 1993), los datos pueden ser
analizados como espectros de excitación, espectros de emisión o de barrido sincronizado de espectros, si bien
originalmente recogidos como barridos de emisión. Además, los EEMs proporcionan información nueva de la
fluorescencia de la DOM (FDOM) de la muestra; y del máximo de longitud de onda independiente en
fluorescencia (Exmax/Emmax).
El Exmax/Emmax no depende de la longitud de onda en la cual la fluorescencia es estimulada o en cuál
emisión fue observada, porque representa la única combinación de las longitudes de onda de excitación y de la
emisión a la cual resulta el máximo de fluorescencia. Los máximos de excitación y emisión para sustancias
húmicas en aguas continentales y marinas no son constantes, y cambian con composición de muestra. La
posición del máximo de fluorescencia aparece en las longitudes de onda más cortas para muestras de agua de
mar de superficie que para muestras de agua continental. El máximo de excitación depende de la longitud de
onda en la cual se observa la fluorescencia y la emisión máxima depende de longitud de onda a la cual la
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fluorescencia es estimulada. La variabilidad en estos parámetros es mayor en aguas superficiales marinas y
más bajo en ríos y aguas marinas profundas.
Para realizar los EEMs, Coble (1996), tomaron muestras de agua sin concentrar previamente filtradas (por un
filtro de 0,45 µm de nylon) para eliminar la POM y se guardaron congeladas en viales de color ámbar desde
períodos de semanas a un año. Las muestras para el análisis de sustancias húmicas se prepararon como se
describe en Meyers−Schulte y Hedges (1986).
Reacciones de las sustancias húmicas
Reacciones con metales
Las sustancias húmicas reaccionan con una variedad de metales para formar complejos organo−metálicos con
varias estabilidades. La solubilidad, precipitación, movilidad, reciclaje, redistribución, y concentración de los
iones metálicos está influenciada por estas reacciones.
Por ejemplo, la concentración del ión Fe en aguas naturales es 109 veces la predicha por los datos de
solubilidad. Una explicación a este fenómeno es la presencia de sustancias húmicas, la cuales reaccionan con
el hierro para formar complejos solubles Fe−sustancias húmicas. En diferentes estudios se ha comprobado que
la concentración de metales en agua de mar está directamente relacionada con su contenido en carbono
orgánico.
Reacciones con contaminantes
Muchas reacciones físicas, químicas y geoquímicas de los contaminantes y plaguicidas en el medio ambiente
están muy afectadas por la cantidad de materia orgánica.
Las sustancias húmicas poseen sitios reactivos que tienen grupos funcionales diversos. Dependiendo de la
naturaleza de los compuestos involucrados, los mecanismos de reacción pueden ser de cambio iónico, enlaces
de hidrógeno, adsorción superficial, cambio de ligandos, y enlaces de coordinación. El área específica de las
sustancias húmicas es enorme, se estima entre 500 a 800 m2/g, lo cual facilita enormemente las reacciones de
adsorción. Además poseen otros grupos muy reactivos como son el grupo carboxilo, el hidroxilo fenólico y
grupos amino, así la formación de iones y complejos de coordinación también es posible. En las
características de adsorción de muchos plaguicidas, particularmente ácidos y bases débiles, el pH juega un
papel muy importante. Como hay una gran cantidad de plaguicidas con una gran variedad de propiedades
fisicoquímicas, es difícil de proponer un esquema simple de estas reacciones con las sustancias húmicas.
Además se producen interacciones de las sustancias húmicas con contaminantes inorgánicos. Por el gran
número de metales tóxicos y sus complejas interacciones físicas, químicas y biológicas, es difícil ver en
detalle todos los aspectos del comportamiento de los metales pesados. El principal mecanismo es la quelación
para formar complejos órgano−metálicos de varias estabilidades. Las sustancias húmicas también adsorben
metales radioactivos como uranio.
Las sustancias húmicas como indicadores de contaminación
Algunas de las características de las sustancias húmicas proporcionan importante información de las
condiciones de deposición asociadas a la contaminación medioambiental. Los ácidos húmicos y fúlvicos
procedentes de zonas contaminadas contienen más hidrógeno, nitrógeno y azufre, menos oxigeno y pocos
grupos carboxilo por unidad de peso que las sustancias húmicas extraídas de suelos y sedimentos no
contaminados.
Papel de las sustancias húmicas en la productividad acuática
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La alta productividad en aguas costeras no puede ser explicada solamente en base a altas concentraciones de
nutrientes inorgánicos. Mientras que los niveles de nutrientes indican el potencial para la producción primaria,
no parece que haya una clara relación entre el grado de fertilidad y las concentraciones de nutrientes
inorgánicos. Muchas observaciones surgieren que los compuestos orgánicos muestran gran importancia en la
regulación del crecimiento en el fitoplancton, aunque los nutrientes inorgánicos y la luz solar son los factores
básicos que gobiernan la productividad primaria. El papel de los compuestos orgánicos puede ser en el
fenómeno de quelación de metales, lo cual aporta muchos metales traza de forma soluble y disponible. Esta
disponibilidad completa los efectos de la concentración de nutrientes y de la luz del sol.
A menudo se ha visto que fuertes lluvias es un prerrequisito para muchos blooms de dinoflagelados, esto está
normalmente asociado a una nueva fuente de nutrientes inorgánicos y compuestos orgánicos.
Interacción de las sustancias húmicas con los principales nutrientes
Los nitratos y otras formas de nitrógeno, fosfatos, y silicatos están presentes en el agua del mar en
concentraciones que raramente llegan a ser factores limitantes en el crecimiento del fitoplancton. Estos
nutrientes principales experimentan una gran variedad de reacciones en la columna de agua. Aunque en
muchas de estas reacciones están involucrados compuestos inorgánicos y organismos vivos con sus sistemas
enzimáticos, en algunas están involucradas las sustancias húmicas. Se ha visto que la respuesta del
crecimiento de los organismos en presencia de ácidos húmicos es independiente de los principales nutrientes.
Las sustancias húmicas no parecen contribuir como fuente de nitrógeno y de fósforo.
Nitrógeno
Generalmente, las concentraciones de nitrato son diez veces más altas que las de amonio. Los nitratos
experimentan muchas transformaciones, sin embargo, pocas de estas reacciones tienen que ver con las
sustancias húmicas. El amonio si reacciona con las sustancias húmicas y con otros compuestos orgánicos, uno
de los mecanismos conocidos es el intercambio catiónico. El amonio retenido a través de este mecanismo es
fácilmente intercambiado cuando es requerido por la nutrición del fitoplancton. Además deben de existir otros
mecanismos de reacción en la interacción de compuestos de amoníaco y sustancias húmicas, porque ocurre
que el amonio reacciona con materia orgánica de tal manera que su liberación inmediata o disponibilidad está
restringida. Los compuestos fenólicos que contienen grupos hidroxilo fenolico o sus productos de oxidación
se cree que participan de esta fijación de amonio. Generalmente, la cantidad de amonio que es retenido por la
materia orgánica tiene una relación lineal con la concentración de la materia orgánica y es mayor que la
cantidad que es fijada por minerales de la arcilla (Jansson, 1971).
Fósforo
La concentración en el agua de mar de formas de fósforo soluble o disponible son generalmente bajas. Las
formas solubles rápidamente reaccionan con una gran variedad de iones como cobre, níquel, manganeso,
hierro, aluminio, calcio y magnesio y se convierten en fosfatos insolubles que no están disponibles para el
fitoplancton. Las sustancias húmicas puede retrasar o modificar esta precipitación ya que forman quelatos con
estos iones que así no están disponibles para la formación de fosfatos (Rashid y Leonard, 1973).
Resumen
Las sustancias húmicas juegan un papel importante en la productividad primaria marina y en la fertilidad del
mar. No parece haber una relación clara entre el grado de fertilidad y las concentraciones de nutrientes
inorgánicos. Se han estudiado varias situaciones en las que a pesar de existir niveles altos de nutrientes
inorgánicos, la productividad primaria permaneció baja hasta que las aguas contuvieron cantidades adecuadas
de materia orgánica y sustancias húmicas. Estos compuestos estimulan el crecimiento del fitoplancton, lo cual
parece que es debido principalmente al intercambio cationico, quelación y otras reacciones químicas entre las
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sustancias húmicas y los principales nutrientes y los oligoelementos. Los efectos de estas reacciones hacen
que los nutrientes estén más fácilmente disponibles. Particularmente importante es la reacción de quelación,
cuál incrementa la solubilidad de metales y retrasa su precipitación en un ambiente donde es probable.
Además, los oligoelementos están más fácilmente disponibles para el fitoplancton, ya que su tiempo de
residencia es aumentado considerablemente.
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