La sostanza organica

• La frazione solida di un suolo comprende anche la componente organica.

• Il contenuto di sostanza organica in un suolo è molto variabile, in genere nell’intervallo 0.5-10 %, (5% in media).

• Concentrazioni più elevate (i.e., intorno al 70% nei suoli della tundra) si riscontrano in aree geografiche con clima umido, da freddo a temperato, dove il processo di decomposizione della materia organica è lento.

LA SOSTANZA ORGANICA

Proprietà

• Colore.

• Il colore scuro del suolo è di frequente

dovuto alla sostanza organica

• Può facilitare il riscaldamento

Proprietà

• Ritenzione idrica.

• La sostanza organica può trattenere fino a 20

volte il suo peso

• Aiuta a prevenire il disseccamento del terreno

Proprietà

• Azione tampone sul pH.

• La sostanza organica agisce da tampone in ambiente

da leggermente acidi ad alcalini

• Aiuta a mantenere una uniformità nelle reazioni nel

suolo

Proprietà

• Scambia cationi.

• La sostanza organica ha valori di CEC molto alti

• Contribuisce ad aumentare la CEC del suolo dal 20 al

70%

Proprietà

• Mineralizza.

• La decomposizione della sostanza organica produce

CO2, NO3-, PO4

3-, SO42-, NH4

+

• Fornisce un continuo flusso di nutrienti alle piante

Proprietà

• Limitata solubilità.

• Prevalgono le specie polimeriche

• Previene perdite per lisciviazione e percolazione

Proprietà

• Capacità complessante.

• Complessa ioni metallici

• Condiziona il destino e la disponibilità di cationi

metallici

Componenti organiche

• La frazione organica di un suolo è costituita da un

complesso mixing di composti che raggruppa:

– organismi viventi animali e vegetali (edaphon)

– materiale organico (SOM = Soil Organic Matter)

sia inalterato che trasformato

SOM

• La materia organica trasformata, il cosiddetto humus,

è costituita da

– resti vegetali ed animali in vario stato di

decomposizione (sostanze non umiche)

– e da una miscela di sostanze colloidali sintetizzate

dai microrganismi del suolo (sostanze umiche).

Costituenti della sostanza organica del suolo

Costituenti della sostanza organica del suolo

Composti a basso peso molecolare:

• AMMINOACIDI

• CARBOIDRATI

• ACIDI ORGANICI MONO- E BICARBOSSILICI,

• FENOLI

Composti ad alto peso molecolare:

• POLISACCARIDI

• ACIDI NUCLEICI

• LIPIDI

• LIGNINE

• CERE

• SOSTANZE UMICHE

Costituenti della sostanza organica del suolo

Polisaccaridi

• Amido (polimero del D-glucosio usato per

immagazzinare energia nelle piante); variamente

ramificato.

• Cellulosa (il principale componente della parete

cellulare del legno); polimero lineare del D-glucosio.

• Emicellulose, eteropolisaccaridi, in cui le singole unità

monosaccaridiche formano con distribuzione casuale

catene piú o meno ramificate.

Struttura dell’ AMIDO Struttura della CELLULOSA

Struttura di una emicellulosa

Le emicellulose sono eteropolisaccaridi, in cui le singole unità monosaccaridiche formano con distribuzione casuale catene piú o meno ramificate, unite con una gran varietà di legami glicosidici, solitamente di tipo β.

Lipidi

• Grassi, resine, cere

• In genere, qualsiasi composto organico

estraibile in solventi non polari

LIPIDE

CH3(CH)nCOO(CH)mCH3

CERA

Lignine

Seconda componente più importante delle piante dopo la cellulosa: Polimero complesso formato da fenilpropani sostituiti e loro derivati

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14

fenoli

cere

lignina

cellulosa

emicellulose

zuccheri solubili

anni

% r

ima

sta

Velocità di degradazione dei diversi composti

lignina proteine polisaccaridi

Degradazione

Chinoni amminoacidi monosaccaridi

Resintesi, trasformazione, neosintesi

sostanze umiche

lipidi

ac. grassi

trasformazione (umificazione)

Umificazione

Si definisce umificazione l’insieme dei processi

operati da agenti microbici e chimici che portano alla

formazione della sostanza organica in sostanze

umiche.

Ipotetica struttura delle sostanze umiche

Le sostanze umiche sono composti amorfi, di colore scuro, parzialmente aromatici, in gran parte idrofili, chimicamente complessi, polielettroliti, con un peso molecolare che va da poche centinaia a migliaia di Da (Schnitzer e Khan, 1972).

DEFINIZIONI DI SOSTANZE UMICHE

Le sostanze umiche costituiscono circa il 65% della sostanza organica del suolo e sono il prodotto di processi di resintesi (umificazione) dei prodotti della decomposizione e trasformazione chimica e biologica di biomolecole provenienti dalle spoglie e dalle emissioni di organismi vegetali ed animali (Stevenson, 1994).

NUOVA TEORIA

La sostanza organica è formata da diversi composti aventi peso molecolare relativamente basso tenuti insieme da legami intermolecolari deboli a formare una struttura supramolecolare (Piccolo, 2001)

Sostanze umiche

• Le sostanze umiche sono la componente predominante

dell’humus del suolo.

• Sono i composti organici che influenzano a più lungo

termine il comportamento e destino degli elementi nel

suolo.

Sostanze umiche

• Le sostanze umiche costituiscono una miscela

complessa ed eterogenea di composti i quali non

sono riconducibili ad una singola formula strutturale.

• Le sostanze umiche, il cui colore varia dal giallo al

bruno fino al nero, si formano per reazioni di sintesi

secondaria attivate da microorganismi del suolo.

Sostanze umiche

Comprendono un continuum di polimeri che variano

per:

• peso molecolare

• contenuto di C, H, N e O

• numero e tipo di gruppi funzionali

• sviluppo del polimero e della struttura

• solubilità in acqua.

Questo continuum è dato, essenzialmente, da

• acidi umici (HA), a più alto peso molecolare (20000-

100000 dalton)

• acidi fulvici (FA), a più basso peso molecolare (5000-

20000 dalton)

Peso molecolare

Contenuto di C, H, N e O

Gli acidi fulvici hanno contenuti più elevati di ossigeno ma minore presenza di carbonio rispetto agli acidi humici.

Sostanze umiche

Le sostanze humiche hanno un ampio spettro di gruppi

funzionali. I principali sono:

carbossilico (COOH)

carbonilico (CO)

idrossilico (OH)

amminico (NH2)

tiolico (SH)

Gli acidi fulvici possiedono più gruppi funzionali di

natura acida, come ad esempio il gruppo COOH.

Solubilità in acqua

• Gli acidi umici sono solubili solo in condizioni di pH

alcalini.

• Gli acidi fulvici sono sempre solubili in acqua

Esempio di struttura di un acido fulvico

Esempio di struttura di un acido umico

• La natura colloidale conferisce agli acidi umici e

fulvici un’elevata area superficiale.

• Sulla superficie sono presenti cariche negative

prodotte dalla dissociazione acida di alcuni gruppi

funzionali come quello carbossilico:

COOH → COO- + H+

Sostanze humiche - area e carica superficiali -

• La densità delle cariche di superficie è pH-

dipendente e cresce all’aumentare del valore del pH.

• Le sostanze umiche hanno, quindi, un’elevata

capacità di attrarre cationi, anche superiore a quella

molti minerali argillosi.

• La capacità, però, è fortemente ridotta in condizioni

di pH acidi, e nulla per pH < 4.5.

Sostanze humiche - carica superficiale -

Sostanze humiche - CEC -

• La capacità di scambio cationico (CEC) delle sostanze umiche

è elevata anche se molto variabile (in genere la CEC si colloca

tra 150-300 meq/100 g).

• La superficie specifica delle sostanze umiche è elevata (in

genere è di 900 m2/g).

• Le sostanze umiche hanno valori di PZC compresi

generalmente tra 4.5 e 5.5.

Interazioni sostanza organica – frazione minerale

Formazione di un complesso organo minerale dall’interazione fra i minerali argillosi e la SOM

Complessazione dello ione Fe3+

Le interazioni sostanza organica – frazione minerale:

- Modificano le proprietà di superficie della frazione minerale

- Influenzano la stabilità dei colloidi minerali

- Contribuiscono alla formazione di aggregati

Estrazione delle molecole umiche

Le soluzioni acquose di basi forti, come NaOH, arrivano a solubilizzare, dopo ripetute estrazioni, i due terzi delle molecole umiche presenti nel suolo.

Trattando l'estratto alcalino con HCI concentrato fino a pH 1 si ottiene la precipitazione della frazione a più alto peso molecolare, gli acidi umici.

La frazione che rimane solubile in ambiente acido rappresenta gli acidi fulvici ed è composta da molecole umiche a più basso peso molecolare.

La sostanza organica non estratta dalla soluzione alcalina è la frazione più umificata chiamata umina.