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.
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