FRACTIUNEA ORGANICA A SOLULUI DI INSUSIRILE EI

FRACTIUNEA ORGANICA A SOLULUI DI INSUSIRILE EI

Desi reprezinta o parte relativ mica comparativ cu restul fazei solide a soiului, substanta organica indeplineste un rol extrem de important prin functiile sale fizico-chimice sau biologice, servind ca sursa energetica pentru flora microbiana si ca factor de care depinde in mare parte starea de fertilitate a solului. Constituentii sai sunt resturi de plante si animale, organisme vii din sol, diversi compusi sintetizati de microorganisme, un mare numar de substante ce rezulta ca secretii radiculare sau din descompunerea substantei organice moarte. S-ar putea separa urmatoarele grupe esentiale: substante organice nehumificate; substante organice specifice solului (humusul); substante intermediare de descompunere a resturilor vegetale sau animale (acizi organici, aminoacizi, glucide, grasimi, rasini, aldehide, chinone, fenoli, substante enzimatice etc.).

Substante organice nehumificate si humificarea lor. Sunt alcatuite din glucide cu molecula simpla (monoglucide) sau complexa (poliglucide: celuloza, hemiceluloza, amidon etc.) reprezentand circa 60% din totalul componentelor, din lignine (10-30%), proteine (1-10%), grasimi, rasini, taninuri etc. alcatuind 1-8% din total. in soluri cu folosinta agricola se acumuleaza anual 2-10 t/ha resturi vegetale (radacini, frunze, tulpini). Materia organica nehumificata alcatuieste 10-15% din totalul substantei organice; rolul sau este exceptional in mentinerea activitatii biologice si a fertilitatii solului. Se dezvolta un numar imens de bacterii, ciuperci si actinomicete, care sint foarte active in descompunerea materiei organice. Unii autori (B r a d y , 1974) apreciaza ca in momentul cand activitatea microbiana este intensa, masa acestora poate reprezenta jumatate din fractiunea organica a solului. Se descompun relativ repede glucidele si proteinele, o descompunere lenta sau foarte lenta avand celuloza, hemiceluloza, lignina, lipidele, cerurile, taninurile si altele. Celulele microorganismelor moarte sant, de asemenea, descompuse rapid prin autoliza.

Pe masura epuizarii substantelor organice, purtatoare de energie, activitatea anumitor specii de microorganisme inceteaza, incepand dezvoltarea altora care conduc procesul pana la eliberarea de ioni nutritivi (NH₄⁺, NO₃^-, SC₁^2-, H₂PO₄^- etc.), utilizabili de catre plante. Procesul de descompunere este de natura enzimatica, endo sau extracelular, asemanator digestiei suferite de nutreturile vegetale in stomacul organismelor animale. Rezultanta acestei activitati poate fi divizata astfel;

energie folosita de microorganisme sau energie degajata sub forma de caldura;

produsi finali de descompunere, cu molecula simpla;

substante incolore sau de culoare inchisa ce rezulta in urma activitatii microorganismelor, alcatuite dintr-o masa heterogena de natura coloidala numita humus.

Ca sursa de energie potentiala, materia organica a solului are un rol extrem de important. Fiecare gram de resturi vegetale uscate la aer contine 4-5 kcal sub forma de energie chimica, ceea ce inseamna ca introducind anual in sol 5 t/ha resturi vegetale, se introduce corespondentul a 2 mii. kcal. Un sol cu 3% substante organice in stratul arat, contine o energie potentiala de circa 36 . 10⁷ kcal. Din aceasta energie microorganismele folosesc o parte pentru nevoile lor, alta parte se risipeste in mediul inconjurator si, in fine, restul ramine in produsele reziduale din sol. Energia degajata din activitatea microorganismelor ajunge la 35 mii. kcal/ha/an, daca in sol s-au introdus cantitati importante de materie organica.

Humificarea este procesul biochimic prin care se trece de la substante organice sarace in azot la altele cu continut ridicat atat in carbon cat si in azot, caracterizate prin prezenta a numeroase grupari carboxilice si carbonilice. Procesul este complex si parcurge trei etape (F 1 a i g , 1960 ; Kononova, 1968): formarea unitatilor structurale ale substantelor humice (radicali fenolici si chinonici, alti polimeri ai acestora); condensarea unitatilor structurale cu diversi compusi organici continand azot; polimerizarea produsilor de condensare.

Lignina este principala substanta implicata in formarea humusului ( Waksman 1936). Aceasta are o molecula complexa rezultata din polimerizarea unor monomeri cu masa moleculara foarte mare, rezistenta la actiunea microorganismelor. Descompunerea ligninei se datoreste unei activitati enzimatice extracelulare a microorganismelor. Rezulta produsi intermediari (vanilina, acid vanilinic, acid ferulic etc.) de la care, prin procese ulterioare de oxidare, hidroxilare si decarboxilare, se ajunge la radicali fenolici si hidrochinona. Prin complexarea acestora cu substante provenite din descompunerea proteinelor (peptide, in special aminoacizi, amoniac) sau cu compusi cu azot de origine microbiana si cu polizaharide, se ajunge la substantele humice. Acestea sant polimeri tridimensionali cu grad diferit de polimerizare, alcatuite din nucleearomatice (fenolice sau chinonice), cu catene laterale ce poarta grupari functionale carboxil (-COOH), hidroxil (-OH), carbonil (>C=O), fenoxi-(C₆H₅-OH), la care H⁺ are tendinta de a ioniza dind sarcini negative libere) sau grupari metoxi (-OCH₃). Humusul astfel format este rezistent la actiunea microorganismelor, azotul din constitutia lui fiind protejat impotriva solubilizarii si indepartarii din sol. Dupa formare, substantele humice pot intra in reactie cu particulele coloidale'de natura minerala, dind nastere la compusi argilo-humici.

1. COMPONENTELE HUMUSULUI

Separarea componentelor humusului s-a facut prin metode aproximative (Sven Oden; Weksman si colab.), folosind precipitarea cu solutii acide sau alcaline sau pe baza diferentei de solubilitate in solventi organici. S-a ajuns astfel la separarea a trei grupe principale: acizii humici, acizii fulvici si huminele. Acizii humusului astfel separati nu sunt substante chimice individualizate, ale caror proprietati sa poata fi explicate pe baza cunoasterii structurii lor moleculare, ci sunt un amestec de mai multe substante, insuficient elucidate. Prin diverse metode, s-au separat si identificat multi din acesti constituenti, altora li s-au pus in evidenta numai gruparile functionale, care au o mare importanta in legatura cu nutritia plantelor si folosirea ingrasamintelor.

Acizii huminici alcatuiesc fractiunea ce imprima culoarea bruna a solului; au un grad avansat de polimerizare, masa moleculara foarte mare (10 000 - 100 000), sunt bogati in grupari carboxilice si fenolice care le imprima caracterul acid. Compozitia lor elementara variaza, in functie de tipul de sol, in limitele urmatoare C = 52 - 62%; O = 31-33% ; H = 2,8-6,6% ; N = 3,3 - 5,1%. Molecula lor este alcatuita din compusi aromatici si heterocicli cu sau fara azot, avand 6 sau 5 atomi in inel. De acestia sunt legate resturi de glucide (hexoze, pentoze etc.) si compusi organici cu azot (peptide, aminoacizi etc.). Contin 3-6 grupe functionale fenolice ( -OH), 3-4 grupari carboxil (-COOH), grupari metoxil ( -O-CH₃) si carbanil ( C-O). Gruparile carboxil pot reactiona cu diversi cationi dind nastere la saruri numite humati:

R - COOH + NaHCO₃ ----> R - COONa + H₂O + CO₂;

R - (COOH)₂ + Ca(HC0₃)₂---------> R - (COO)₂Ca + 2 CO₂ + 2 H₂O.

Humatii cationilor monovalenti (de Na⁺, K⁺, NH₄⁺) sunt solubili in apa, iar cu catio-nii divalenti (Ca²⁺, Mg²⁺) sau trivalenti (Al³⁺, Fe³⁺) se formeaza humati ce precipita sub forma coloidala.

Azotul din acizii huminici este legat in catene laterale (aminoacizi, amide) sau se afla sub forma de heterocicli. Cel din heterocicli reprezinta 40-50% din N total, fiind forma cea mai rezistenta la descompunerea microbiana. in acizii huminici se afla 15-30% din totalul azotului din sol.

Acizii fulvici sunt alcatuiti din polimeri cu masa inferioara celor huminici    (200-9 000), au culoare galbena, cu tenta mai inchisa sau mai deschisa dupa tipul de sol, sint solubili in apa si in acizi minerali. Analiza elementara arata ca, spre deosebire de cei huminici, acizii fulvici contin mai putin C organic si mai mult H, variatiile fiind intre urmatoarele limite: C = 45-48%, O = 43-48,5% H = 5-6%, N = 1,5-3%. Sarurile lor cu Ca si Mg sunt solubile, ca si cele cu cationi monovalenti, iar complecsii formati cu hidroxizii de Fe si Al precipita la intervale foarte mici de pH fiind prezenti in majoritatea solurilor, solubili si foarte mobili. in fractiunea acizilor fulvici se afla 20-40% din totalul azotului din sol, taria de legatura a azotului fiind mai slaba decat a acizilor huminici. Ei se gasesc in procent mare in soluri podzolice. Aciditatea totala a acizilor fulvici este mai ridicata (900-1400 me/100 g), comparativ cu cea a acizilor huminici (500-870 me/100 g). Valorile raportului C/N total sint mai ridicate la acizii huminici (9-14) si mai scazute la cei fulvici (5-9). Aceasta duce la concluzia ca acizii huminici se formeaza inaintea celor fulvici, fiind precursorii acestora din urma (Schnitzer, 1967, E1 i a d e 1981 etc.).

Humina reprezinta o fractiune stabila a humusului din sol, insolubila in dizolvantii folositi la fractionarea humusului. Este alcatuita din resturi de lignina nehu-mificata, din polizaharide, poliurcnide si glucide simple, rezultate din descompunerea celulozei, precum si dintr-o insolubilizare treptata (mii de ani) a acizilor humici existenti in sol. Prin urmare, humina este fractiunea organica a solului cu virsta cea mai mare. Contine 20-30% din totalul azotului din sol si are o mare stabilitate la actiunea microorganismelor.

COMPLECSI ORGANO-MINERALI

Acizii humusului din sol se afla intr-o propozitie neinsemnata in stare libera. Cea mai mare parte a lor formeaza diversi compusi organo-minerali cu cationii liberi din solutia solului (humati sau fulvati, cum s-a aratat mai sus), cu hidroxizii de Fe si Al sau cu particulele de argila coloidala. Compusii cu hidroxizii de Fe si Al ar putea fi redati intr-o forma simplificata astfel :

R-COO-Fe(OH)₂ si R-COO-Al(OH)₂

in care R este rest de acid humic.

Cu hidroxizii de fer si aluminiu se pot forma si saruri heteropolare complexe, in care hidroxizii de Fe si Al sint inclusi in molecula de acid humic. Cele mai importante sint insa complexele argilo-humice, care includ peste 50% din substanta organica a solului, intr-o forma schematica putind fi redate astfel:

Argila coloidala - M - Acid humic

in care M este ion polivalent (Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe²⁺) aflat in stare de adsorb-tie la particula coloidala.

intr-o forma similara se pot forma compusi organo-minerali intre acizii humici si cei silicici sau fosforici prin punerea in comun a unui atom de oxigen :

FORMULA DE LA PAGIMA 43

3. MINERALIZAREA HUMUSULUI

Substanta organica a solului este o sursa esentiala de elemente necesare nutritiei plantelor. Cea mai mare parte din azotul si sulful solului se afla in constitutia humusului sau a resturilor organice nedescompuse sau pe cale de descompunere. Tot in substanta organica se afla 30-40% din fosforul solului si cantitati mai mici de cationi (Ca²⁺, Mg²⁺ K⁺ etc). Trecerea acestora in forme accesibile plantelor se face cu participarea a numeroase enzime (fenolaze, peroxidaze) secretate de bazi-diomicete.

Rezultatele experimentale (R u s s e 11 si colab., 1961; W e 11 e siTimmer-m a n n , 1967 etc.) au demonstrat ca anual se mineralizeaza biochimic 600-1 000 kg humus/ha, ceea ce reprezinta 0,4-1% din rezerva totala de humus din sol. Daca humusul contine 5% N, inseamna ca din acest proces rezulta 30 - 50 kg N/ha in forme minerale, utilizabile de catre plante. Cantitati mai mari rezulta in cernoziomuri si mai mici in podzoluri. in solurile ocupate de prasitoare sau de ogor negru, procesul mineralizarii este mai intens, rezultand azot mineral in cantitati mai mari decat cele mentionate. in privinta efectului pe care-1 au ingrasamintele chimice asupra mineralizarii humusului, rezultatele cercetarilor sint contradictorii. Unele sustin ca ingrasamintele chimice maresc viteza de descompunere a materiei organice, de aceea aplicarea ingrasamintelor organice naturale concomitent cu cele chimice este de mare importanta pentru mentinerea fertilitatii solului la nivel ridicat. Alte cercetari (W el te siTimmerm an n, 1976; Eli a de, 1983) arata ca valorile individuale privind continutul solului in carbon si azot sint mai mari la solul fertilizat cu ingrasaminte chimice sau organice, raportul C/N mentinindu-se aproximativ in jurul aceleiasi valori (tabelele 1 si 2). Prin resturile organice acumulate in cantitati mai mari la solul fertilizat cu ingrasaminte chimice este posibila mentinerea sau chiar sporirea continutului de materie organica din sol. Gunoiul de grajd, ingrasamintele verzi etc, constituie mijlocul cel mai important de reglare a substantei organice a solului. S-a demonstrat ca anumiti compusi organici (ami-noacizii alanina, glicina, valina) pot fi absorbti direct in planta, avind un efect pozitiv (Stanchev, 1 977). Un efect similar exercita diverse enzime si vitamine. Alte substante pot exercita un efect nefavorabil asupra dezvoltarii plantelor. Acidul benzoic, vanilina, diversi compusi fenolici etc. sunt nocivi plantelor superioare, unii provocand fenomenul numit "oboseala solului'. Prezenta lor in sol este legata de conditii speciale, cum ar fi excesul de umiditate, aciditatea sau alcalinitatea ridicata (Calancea, 1972). Aplicarea de masuri ameliorative elimina aparitia compusilor toxici.

Efectul ingrasamintelor asupra continutului de C si N din cernoziomul de la Fundulea

Tabel 1

Modificarea continutului de carbon organic sub actiunea ingrasamintelor minerale si organice, in experiente de lunga durata la Halle (sinteza, dupa Sauerbeck, 1980)

Tabel 2

Aprovizionarea solului cu cantitati ridicate de resturi organice la parcelele fertilizate cu NPK mentine C organic din sol la nivelul initial, iar la parcela fertilizata cu gunoi de grajd acesta a crescut cu 30%. Schimbarile sunt mari la inceput; dupa 50 de ani se stabileste un anumit echilibru.

4. INSUSIRI CHELATICE ALE SUBSTANTELOR ORGANICE

La descompunerea resturilor organice din sol se formeaza, in afara de humus, anumite substante individualizate, unele din acestea avind insusirea de a forma compusi de tip chelat cu ionii metalelor. Aceasta inseamna ca agentul de chelatare poseda una sau mai multe grupari functionale donatoare de electroni, care permit legarea ionilor metalici sub forma unor complecsi cu stabilitate ridicata, solubili in apa. Formarea unor asemenea compusi complecsi prezinta avantajul trecerii ionilor metalici din forme insolubile greu accesibile plantelor, in altele solubile si usor accesibile. Substante cu asemenea insusiri sint acizii organici, aminoacizii, acizii huminici si cei fulvici etc.

Acizii organici pot sa provina din descompunerea materiei organice sau ca excretii radiculare. Au o existenta efemera, in solutia solului mentinindu-se un echilibru intre ceea ce se produce prin sinteza si ceea ce se degradeaza biochimic. Cantitati mai mari se intilnesc in zona rizosferei radiculare, unde-si au sediul anumite microorganisme. Asemenea substante contribuie la alterarea mineralelor din sol, la asigurarea nutritiei plantelor si la levigarea anumitor cationi. Plantele cultivate pe soluri calcaroase solubilizeaza microelementele prin excretiile lor radiculare.

in sol s-au pus in evidenta acizi organici alifatici si aromatici. Dintre acizii organici alifatici (formic, acetic, lactic, propionic, butiric etc.) pusi ;in evidenta, cei care poseda insusirea de a forma complecsi stabili cu ionii metalici sint cei di- si tricarboxilici. Ca exemplu, poate fi dat acidul citric:

imaginea de la pag 45

Conditiile aerobe favorizeaza sinteza acizilor organici. Se acumuleaza in special acid acetic si acid butiric.

Acizii aromatici (vanilie, cumaric, ferulic) se intilnesc in soluri dar nu poseda insusirea de a forma complecsi stabili cu ionii metalici.

Deplasarea ionilor metalici (Fe^2t, Mn²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺) in jos pe profilul de sol sub fbrma de chelati poarta numele de cheluviere.

Ionul de cupru se leaga de glicina pe de o parte prin gruparea carboxil, pe de alta parte prin gruparea aminica (azotul are o pereche de electroni neparticipanti).

Imaginea pag 45

β- Aminoacizii formeaza complecsi similari dar mai putin stabili; γ si δ - aminoacizii nu formeaza asemenea combinatii.

c. Acizii huminici si cei fulvici pot, de asemenea, sa formeze compusi chelati. Ionii metalici sint legati pe de o parte prin forte electrostatice la gruparile -COOH ionizate, pe de alta parte ei formeaza legaturi coordinative cu gruparile -NH₂ ale aceleiasi molecule. Un rol esential au acizii fulvici care, formind complecsi stabili cu diverse metale, in special cu cuprul, contribuie la levigarea acestora din profilul solului acid.

in concluzie subliniem urmatoarele caracteristici ale materiei organice in legatura cu nutritia plantelor:

constituie sursa permanenta de elemente nutritive, in special de azot;

participa la procesele de adsorbtie a ionilor rezultati din ingrasamintele aplicate solului sau din diverse procese biochimice sau fizico-chimice. Desi constituie circa 5% din masa fazei solide a solului, aportul ei la capacitatea totala de schimb de cationi este de 30-40%. Capacitatea de schimb cationic a argilei variaza intre 8-150 me/100 g, iar aceea a humusului bine format este intre 150 - 300 me/ 100 g;

formeaza complecsi organo-minerali cu particulele coloidale si precoloidale, imbunatatind insusirile fizice ale solului prin legarea particulelor in agregate structurale stabile ce permit circulatia apei si a aerului;

favorizeaza cresterea capacitatii de retinere a apei. Humusul poate adsorb, dintr-o atmosfera saturata, o cantitate de apa echivalenta cu 80-90% din greutatea sa, in timp ce argila poate sa retina doar 15-20% din propria gfeutate;

prin capacitatea de a forma complecsi chelatici, de a stimula cresterea plantelor, de a servi drept sursa de energie pentru microorganisme, materia organica a solului indeplineste un rol fundamental in satisfacerea starii de fertilitate a solului.