zona3
zona5-zona6

Da cosa è fatto l’humus? Formazione e proprietà della sostanza organica nel terreno

Print Friendly, PDF & Email

Il lungo, tortuoso percorso che conduce ciò che resta dei viventi a ricongiungersi alla madre terra, adempiendo all’antico monito “terra sei e terra ritornerai” è affascinante almeno quanto quello che porta alla nascita ed alla crescita degli stessi organismi.   A differenza che in questo caso, infatti, non assistiamo al prodigio di un meccanismo concertato, regolato dall’espressione di un genotipo affinato nel corso dell’evoluzione della specie ma alla fin fine, almeno se cogliamo l’attimo, tutto sommato deterministico ed individuale, solo marginalmente condizionato dalla pressione ambientale.
humusNel caso della trasformazione delle spoglie ex-viventi, dalle piante agli animali, fino ai corpiccini solo apparentemente trascurabili dei microrganismi, le regole del gioco sono meno precise, gli attori in gioco sono terribilmente tanti, le condizioni territoriali possono cambiare le leggi, ed alla fin fine quello che ha meno voce in capitolo è sicuramente il morto. Alla fin fine c’è meno differenza fra un gatto e di una melanzana decomposti in ambienti simili, piuttosto che di due gatti – o di due melanzane – decomposti in condizioni fra loro opposte.

La grossa distinzione che ci preme fare fin dall’inizio è relativa alle condizioni redox dell’ambiente nel quale l’organismo morto si viene a trovare.
Da un lato vi sono le cosiddette condizioni anaerobiche, o asfittiche, caratterizzate dal fatto che l’ossigeno non penetra con facilità, magari perché il terreno è molto compattato, o meglio ancora perché resta costantemente impregnato di acqua, e l’acqua sì può sciogliere una certa concentrazione di ossigeno, ma se essa non viene ricambiata, ed in compenso in quell’acqua ci vivono folte colonie di microrganismi aerobi, tempo pochi giorni e quell’acqua sporca sarà diventata un ambiente decisamente poco favorevole all’ossidazione.

colore bruno di acque dolci ricche in acidi umici e fulvici

colore bruno di acque dolci ricche in acidi umici e fulvici

I concetti di ossidazione e di riduzione, che siamo abituati ad imparare nel contesto della chimica inorganica, estendendoli successivamente ad alcune classi di sostanze organiche (es. sappiamo che ossidandosi un alcol primario si trasforma in aldeide, e da questo per ulteriore ossidazione in acido carbossilico), si possono applicare agevolmente a tutti gli atomi di carbonio, organico ed inorganico.   La regola è quella per la quale, partendo dallo zero, si considerano negative tutte le valenze espresse verso gli atomi maggiormente elettropositivi (es. idrogeno) e positive tutte quelle espresse verso atomi maggiormente elettronegativi (es. ossigeno, azoto, zolfo, alogeni), mentre i legami tra atomi di carbonio sono computati come zero.   Una “dritta” questa che farà rabbrividire certamente i puristi della definizione chimica, ai quali rivolgo la preghiera, se capaci, di fornirne una più rigorosa… purché ugualmente efficace nell’ambito di un articolo che parla in realtà di tutt’altro.
A partire dalle sostanze organiche naturali, nei quali il carbonio ha uno stato di ossidazione “formale” intermedio fra i due estremi del -4 (alcani) e del +4 (biossido di carbonio), sono possibili quindi due percorsi, uno di tipo riduttivo e l’altro di tipo ossidativo.

 

DALLA VITA AL CARBONIO FOSSILE

Del percorso di degradazione di tipo riduttivo della sostanza organica proveniente dalle spoglie ex-viventi negli ambienti maggiormente privi di ossigeno si è avuto modo di parlare in passato in un articolo appositamente dedicato a “La chimica della putrefazione”.   In questo testo si argomentava in particolare riguardo ai prodotti ultimi, di tipo solitamente volatile, derivanti da una degradazione completa in condizioni anaerobiche dei materiali organici di origine biologica: metano ed altri idrocarburi saturi a corta catena, ammoniaca, fosfina, acido solfidrico, eventualmente idrogeno, e naturalmente acqua.  Tutti prodotti a loro modo volatili, tossici e spesso intensamente maleodoranti, che vengono associati – anche da punto di vista psicologico – ad ambienti mortiferi.   Prodotti nei quali l’elemento che funge da anione si trova al suo stato di ossidazione più basso fra quelli possibili per lo stesso elemento.

Mentre sul ruolo rivestito dalla decomposizione anaerobica della sostanza organica di origine biologica nella formazione dei depositi di petrolio sussistono al momento ancora delle teorie contrastanti (esiste infatti una scuola di pensiero che interpreta in termini abiotici la formazione del petrolio) nessun dubbio avvolge invece la formazione dei depositi del carbone, non per niente definito carbone fossile.
planisfero e ricostruzione ambientale del Carbonifero
Nel carbone stesso sono infatti rinvenibili e riconoscibili, seppur ampiamente trasformati nell’aspetto e nella composizione, i resti delle piante originali – specie di quelle di enormi dimensioni che popolarono la Terra nell’era di massimo sviluppo del regno vegetale, il carbonifero appunto (280-345 milioni di anni fa) – il cui carbonio è stato interamente o quasi ridotto allo stato elementare.  Il carbone non costituisce uno stato allotropico alternativo alla grafite ed al diamante, bensì uno stato disorganizzato ed impuro di carbonio poco o per nulla cristallizzato che si è originato per trasformazione riduttiva di questi vegetali, dapprima cresciuti e morti in ambienti umidi e paludosi, quindi decomposti in condizioni anaerobiche di sommersione, in seguito sottoposti a trasformazioni geologiche sotto l’effetto di calore e di pressione.
I materiali parzialmente trasformati che si possono incontrare durante il lentissimo processo di formazione del carbone (in ordine di evoluzione: torba, lignite, litantrace ed antracite) possono presentare tutte le sfumature di aspetto e di composizione chimica intermedie tra i materiali (soprattutto vegetali) originali ed il carbone nero e dall’aspetto roccioso che un po’ tutti conosciamo.

torba

torba

La torba è da tutti conosciuta più alla stregua di una tipologia di terreno piuttosto che di un precursore del carbone, e di fatti i resti vegetali – soprattutto di piante erbacee – che essa contiene sono statica tutti gli effetti fossilizzati, almeno non in modo completo, in quanto all’inizio della storia della loro formazione (tra l’era terziaria e l’era quaternaria) sono stati in qualche modo sottratti ad un’ulteriore riduzione in seguito alla riesposizione all’aria.
Uno dei requisiti affinché le spoglie vegetali si trasformino in torba anziché seguire atri percorsi di decomposizione è il clima non eccessivamente caldo: dall’Irlanda alla Terra del Fuoco nell’estremità meridionale del continente americano, dall’Islanda all’Olanda le torbiere più vaste del mondo si sono formate nei luoghi di antiche paludi in climi freddi o al limite temperati.
Oltre a conservare gran parte dell’acqua iniziale (fino ad un massimo del 90% circa in peso), la torba mostra ancora l’aspetto fisico filamentoso dei vegetali dai quali si è formata, e dal punto di vista chimico anche un’elevata presenza dell’ossigeno originalmente presente nelle molecole biologiche.   Elevato grado di umidità e potere calorifico poco elevato (5000 kcal/kg sul prodotto essiccato) non ne giustificando l’impiego come combustibile su larga scala, mentre il suo impiego d’elezione è come ammendante agricolo per migliorare la sofficità del terreno (aerazione e penetrabilità da parte delle radici) e la sua capacità di trattenere acqua al suo interno, riducendone la perdita per percolazione negli strati profondi.

lignite

lignite

Inizia già a parlarsi di “carbone” con la lignite: un materia che, come ci suggerisce lo stesso nome, richiama anche nei suoi aspetti strutturali il legno stesso dal quale ha avuto origine, circa 80 milioni di anni fa, successivamente quindi al carbonifero, dalle foreste dell’era secondaria e terziaria.
Più scuro della torba, più chiaro del carbone propriamente detto (il litantrace) e fra questi intermedia un po’ per tutte le caratteristiche composizionali, dal contenuto in carbonio elementare (70%) a quello in acqua (dal 13% al 45%) la lignite non è un buon combustibile (potere calorifico da 4100 al 6500 kcal/kg espressi sul secco) ma viene largamente utilizzata come materia prima per la produzione di ulteriori sostanza carboniose ridotte, come ad esempio alcani volatili da utilizzare a loro volta come combustibile gassoso o per sintesi.

litantrace bituminoso

litantrace bituminoso

Il litantrace è il carbone fossile tout-court, quello che riunisce in sé il miglior compromesso tra un elevato contenuto in carbonio elementare (75-90%) ed un minore contenuto in acqua – e quindi un maggiore potere calorifico (7000-8500 kcal/kg), con una reperibilità sufficiente per giustificarne l’impiego su scala industriale, tanto come combustibile quanto nella produzione di ghisa insieme ai minerali del ferro.
Trattandosi di un materiale molto diffuso e studiato, se ne conoscono numerose varianti, differenziate in relazione alle caratteristiche fisico-strutturali ci compattezza e porosità, ma anche chimico-composizionali come per esempio il livello di impregnazione con sostanze bituminose (“grassezza” del litantrace) e delle sostanze volatili, principalmente idrocarburi, che possono in taluni casi superare il 25% in peso del litantrace.

antracite

antracite

L’antracite è infine il carbone con più alto contenuto in carbonio elementare (circa il 90%) ed al tempo stesso quello di origine più antica, prossima a 400 milioni di anni or sono.

In ambienti fortemente carenti di acqua, condizione “sin e qua non” per l’affermarsi della vita – anche di quella degli stessi organismo decompositori – neanche il decorso di putrefazione anaerobica e quello di riduzione del carbonio al suo stato elementare possono prendere piede in modo significativo.

gatto mummificato

gatto mummificato

In queste condizioni, infatti, le spoglie ex-viventi tendono a cedere la loro stessa acqua, fino al punto di disidratarsi ponendo quindi fine ad un’eventuale decomposizione, almeno in chiave macroscopica e creando così i presupposti per la conservazione del cadavere medesimo, o almeno dei suoi tratti morfologici macroscopici, come succede nei processi di mummificazione.   In questi casi l’eventuale rimozione di parti facilmente fermentescibili – ad alto contenuto in acqua e/o in soluti facilmente attaccabili dai microrganismi decompositori – insieme talvolta all’apporto dall’esterno di sostanze chimiche con funzione “antibiotica” possono coadiuvare in modo importante il processo di conservazione dei tessuti nella collocazione ed all’incirca anche con la composizione originale, dal punto di vista istochimico: il fattore determinante nella formazione delle mummie, siano esse animali o vegetali, naturali o volute dall’uomo, resta comunque il livello di disidratazione.

 

LA DEGRADAZIONE OSSIDATIVA DELLA SOSTANZA ORGANICA DI ORIGINE BIOLOGICA NEL TERRENO

Al contrario del decorso riduttivo, una degradazione ossidativa – quella che dovrebbe costituire “la norma” vista l’atmosfera ricchissima di ossigeno che contraddistingue il nostro pianeta – porta la sostanza organica di origine biologica lungo un percorso noto come mineralizzazione, caratterizzato da un graduale incremento nel numero di ossidazione delle specie chimiche coinvolte, ed in particolare del carbonio, dell’azoto, del fosforo e dello zolfo.
ciclo del carbonioFino alla restituzione delle relative specie inorganiche: anidride carbonica, ammonio (e da questo nitrati), fosfati e solfati, e naturalmente acqua, oltre a tutti i sali minerali assorbiti che tornano ad essere disponibili in forma di elettroliti.   E’ questo il percorso attraverso il quale, seppur attraverso mille vicissitudini, gli elementi tornano finalmente a rendersi nuovamente disponibili per il loro assorbimento da parte di piante, funghi e della maggior parte dei batteri.
Capita però che lungo questo percorso succeda qualcosa.  Dei rallentamenti, come minimo, dovuti per esempio proprio alla grande quantità di sostanza organica che si depone, ma anche a difficoltà oggettive in uno o in più stadi della degradazione ossidativa, in pratica di quelli che si potrebbero definire dei coni di bottiglia.  Capita in particolare che la parziale degradazione, o anche l’eventuale ricombinazione in itinere lungo il percorso della mineralizzazione porti in quelli che, sempre restando nell’ottica della decomposizione della sostanza biologica originale, potrebbero apparire come dei vicoli ciechi, dei “cul del sac”: molecole che, una volta che si arriva lì, non è più facile andare oltre.
Mancano enzimi “in giro nel terreno” in grado di scinderle ulteriormente, o microorganismi in grado di incorporarle riconoscendole come potenziali substrati trasformabili, o semplicemente sono troppo pochi, oppure per mettersi a fare un lavoro tanto difficile dovrebbero essere ridotti veramente alla fame, e nel terreno c’è sempre qualcosa di meglio di cui cibarsi…
In sostanza, come anime chimiche intrappolate lungo il percorso che porta dalla morte alla rinascita, queste sostanze si accumulano nel terreno.  E da questa posizione speciale queste sostanze, non più vive ma ancora organiche, assistono la vita, fornendo ad essa supporto.
Questi angeli del terreno sono le sostanze humiche.

humusNell’immaginario comune l’humus è oggi sinonimo di fertilità del terreno.
Ma non è stato sempre così ed anzi, la scoperta dell’importanza di questa sostanza per la nutrizione e la vita delle piante è entrato ufficialmente a far parte del pensiero scientifico solo a partire dal 1844, anno della traduzione in lingua inglese del libro in quattro volumi “Principii dell’agricoltura razionale” dell’agronomo tedesco Albrecht D. Thaer (1752-1828).
Se dovessimo domandare invece ad un agricoltore, ma diciamolo pure anche ad un chimico, le ragioni per quali l’humus riveste una tale importanza nel benessere delle piante e, più in generale, nella vita che il terreno ospita, dubito che riusciremo a mettere insieme una spiegazione plausibile.
Vediamo ora di comprendere le ragioni di questa difficoltà, che affonda le radici in una complessità duplice, sia di tipo chimico-composizionale che di tipo biologico-agronomico.

Innanzitutto l’humus non è una molecola precisa, che possa essere riportata ad una struttura chimica precisa.   Se proprio vogliamo definirlo, potremo includerlo nella categoria degli eteropolimeri, categoria in realtà tanto ampia quanto indeterminata, dal momento che accoglie al suo interno un po’ tutte quelle molecole di alto o altissimo peso molecolare, la cui struttura può variare all’interno di margini anch’essi piuttosto ampi: eteropolimeri per esempio sono riconosciuti essere anche la lignina (come vedremo in seguito curiosamente imparentata con lo stesso humus) e persino le proteine nel loro insieme.

possibile struttura di un acido umico

possibile struttura di un acido umico

Già da questo inizia a risultare chiaro come “la chimica dell’humus” potrebbe tranquillamente essere l’argomento di un’enciclopedia, di una rivista specializzata oppure di un master universitario, e non a caso abbiamo scelto di riportare qui di seguito in formato immagine una raccolta di copertine di libri pubblicati negli ultimi anni sull’argomento.
Il peso formula delle molecole che entrano a far parte dell’humus non è poi così elevato come si potrebbe immaginare: da poche centinaia all’ordine delle migliaia di u.m.a. Buona parte delle sue proprietà più complesse e benefiche ai fini della fertilità del terreno infatti – come ad esempio le proprietà colloidali, quelle chelanti, assorbenti e di scambio ionico – più che ad un peso molecolare da macromolecola, sono dovute alle interazioni supramolecolari tra molecole diverse dell’humus, ed alla presenza sulla stessa molecola di elementi strutturali e gruppi funzionali molto diversi fra loro.  Osservando per esempio la struttura molecolare proposta per singole unità di humus si possono chiaramente individuare “pezzi di molecole” che ci ricordano chiaramente le relative classi di sostanze organiche naturali che un tempo facevano parte dei viventi: carboidrati, lipidi, aminoacidi, polifenoli, acidi nucleici e così via… in parte trasformati, sicuramente, ma soprattutto legati fra di loro con la formazione di nuove specie chimiche, delle sorte di chimere aliene alla composizione originale delle piante o degli animali dai quali esse hanno avuto origine.
D’altra parte, lo ricordiamo qui per l’ultima volta, l’humificazione può essere considerata a tutti gli effetti come una sorta di deviazione laterale di parte (una piccola parte) della sostanza organica dal ciclo propriamente detto del carbonio: parte della sostanza organica ex-vivente, dopo aver subito un primo step di parziale mineralizzazione, con la conseguente liberazione di piccole molecole organiche solubili e di ioni minerali inorganici, subisce una riorganizzazione in qualcosa di diverso e tutt’altro che elementare.  Artefici di questa trasformazione, agita per lo più sotto catalisi enzimatica, sono alcune classi dei cosiddetti organismi decompositori, quali funghi, batteri ed attinomiceti, tutti organismi attivi in particolare negli strati superiori e più aerati del terreno, in condizioni di pH neutro o debolmente basico.

organismi decompositori del terreno

organismi decompositori del terreno

L’humus propriamente detto non rappresenta quindi l’unico punto di arrivo dei processi di degradazione ossidativa delle sostanze organiche nel terreno: il primo step di questa trasformazione infatti è in grado di “decomporre” (in questo caso in modo propriamente detto) i tessuti viventi nei loro singoli componenti, appartenenti alle rispettivi classi chimiche (es. carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici, ecc). Queste molecole vengono così restituite al terreno andando a costituire quella che gli agronomi definiscono “sostanza organica non umica” e divenendo disponibili per l’assorbimento e la metabolizzazione anche da parte dei microrganismi “meno fantasiosi”, quelli per intenderci più opportunisti e qualunquisti, che catabolizzano le molecole organiche più semplici portando il carbonio fino alla sua forma completamente ossidata, corrispondente all’anidride carbonica, che viene quindi liberata come sottoprodotto finale.
Pur non contribuendo alla sostanza organica, buona parte dei sali minerali, sicuramente i cationi e gli ioni fosfato (che continua a mantenere la sua struttura di anione inorganico anche quando esterifica funzioni alcoliche nei carboidrati nei contesti biochimici) vengono restituiti al terreno durante questa prima fase del processo di mineralizzazione.

 

PROPRIETA’ DELL’HUMUS NEL TERRENO

Nonostante gli ampi margini di variabilità strutturale dei quali può godere, l’humus del terreno presenta delle qualità chimico-fisiche ricorrenti che, in ultima analisi, si possono riportare a delle sue ricorrenze strutturali tipiche.

Credo che chiunque non avrà alcun dubbio nel riconoscere la grandiosità di questo eteropolimero naturale – e quindi a volerne conoscere più da vicino la natura chimica – dopo aver letto il seguente elenco relativo alle proprietà ed alle capacità di interesse agronomico espresse dalle sostanze umiche:

–  Proprietà colloidali (rispetto ad un solvente acquoso);
–  Assorbimento e trattenimento dell’acqua;
–  Scambio ionico (in particolare cationico);
–  Chelazione di metalli (soprattutto bi- e trivalenti come Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, ecc);
–  Tamponamento del pH;
–  Proprietà redox.

colloidi umici come "luogo" delle reazioni chimiche nel terreno

colloidi umici come “luogo” delle reazioni chimiche nel terreno – “BC”: colloidi humici; “b”: batteri di varie specie; “OM”: materia organica; “c”: cationi

Diverse di queste proprietà possono essere viste, in un contesto ecologico, come una sorta di volano in grado da un lato di tamponare situazioni puntuali ed istantanee relative a concentrazioni anomalmente elevate di sostanze in forma solubile (es. cationi metallici, acidi e basi libere, ossidanti, la stessa acqua di irrigazione o meteorica), dall’altra di restituire queste stesse sostanze in modo graduale ed equilibrato quando l’ambiente circostante dovesse impoverirsene.  E’ in questo contesto che è valida l’affermazione comune secondo la quale l’humus costituisce una riserva di nutrienti per le piante, ed anche per gli altri organismi del suolo: in realtà non sono le sostanze humiche stesse a costituire il nutrimento per la maggior parte degli organismi, bensì ciò che esse sono in grado di trattenere nei momenti di abbondanza (o addirittura di pericoloso eccesso) e di rilasciare nei momenti di carenza.
Dietro a questo comportamento, ovviamente, non ci cela nessun intento etico da parte della sostanza: si tratta semplicemente del rispetto dei principi chimico-fisici degli equilibri chimici, quelli per i quali Le Chatellier già nel 1884 affermava nel suo celebre principio “ogni sistema tende a reagire ad una modifica impostagli dall’esterno minimizzandone gli effetti.”

ruolo attivo dell'apparato radicale delle piante nello scambio cationico con i colloidi umo-argillosi del terreno

ruolo attivo dell’apparato radicale delle piante nello scambio cationico con i colloidi umo-argillosi del terreno

Oltre al suddetto meccanismo di restituzione passiva, il rilascio dei cationi minerali utili alla crescita della pianta può essere indotta dallo stesso apparato radicale attraverso la sua cessione nel terreno di idrogenioni che, sulla spinta di un sufficiente fattore di concentrazione, possono sostituire ad esempio potassio, calcio e magnesio dalla superficie a carattere anionico dei colloidi umo-argillosi.   Gli ioni idrogeno possono a loro volta essere rilasciati nel terreno direttamente dall’apparato radicale delle piante, oppure formarsi in seguito alla dissociazione dell’acido carbonico, formato a sua volta per reazione con l’acqua del terreno dell’anidride carbonica anch’essa rilasciata dall’apparato radicale per via della respirazione cellulare.

I gruppi funzionali responsabili del tamponamento del pH sono rappresentati in primo luogo dai gruppi carbossilici e secondariamente dai fenolici, entrambe attivi in un range di pH dal basico al neutro, mentre verso le variazioni in campo acido il fattore tampone è sorretto principalmente dalle funzionalità azotate, soprattutto dai gruppi aminici, come si vedrà meno rappresentati all’interno delle sostanze humiche, da cui il carattere di acido debole comunemente assegnato ai singoli componenti dell’humus.

acqua tra particelle e colloidi del terreno

Legenda:
S: particella non colloidale
A: colloide minerale
H: colloide organico
I: acqua d’imbibizione
C: acqua capillare
m: macroporo

Oltre a rappresentare una sorta di ponte ideale fra il vivente ed il non vivente, l’humus costituisce anche – ed in questo caso non si tratta di retorica – un ponte fra la frazione organica e quella inorganica, o meglio ancora minerale, del terreno.   Il comportamento segue percorsi differenti a seconda di quella che gli agronomi chiamano “la reazione” del terreno, ed i chimici definirebbero semplicemente come il pH.  In terreni acidi l’humus forma complessi con i cationi alluminio e ferro facenti parte di colloidi idrofobi ed elettropositivi, riducendone il dilavamento da parte dell’acqua.   Ma è nei terreni a pH neutro o debolmente basico che le sostanze humiche danno il meglio di loro, legandosi alla frazione argillosa (già aggregata in particelle di frazione di millimetro di diametro) tramite ponti calcio, con la formazione di complessi di tipo umo-argilloso: le particelle secondarie così formate, grandi da uno a più millimetri, vanno a costituire quella struttura “glomerulare” tanto desiderata a livello agronomico.   Si può osservare nell’immagine esemplificativa qui a lato come la varietà strutturale del terreno (nel senso sia della sua tessitura granulometrica che della composizione degli stessi granuli) sia una condizione decisamente favorevole ai fini di una equilibrata presenza di aria ed acqua nel terreno: la zona dei macropori (m) è occupata prevalentemente dall’aria, mentre l’acqua non vi è trattenuta e per tanto percola rapidamente; al contrario l’acqua trattenuta capillarmente “tra” le particelle – qualunque esse siano – è trattenuta ma risulta pur sempre disponibile per le piante che, seppur spendendo energia per attingerla, possono avvantaggiarsene.  Al contrario, l’acqua di imbibizione, quella che riveste la superficie di ciascuna particella e che è particolarmente abbondante nei colloidi humici (l’humus riesce ad assorbire fino a 20 volte il suo peso in acqua), contribuisce fortemente alla struttura ed alle proprietà fisico-meccaniche del terreno ma risulta così fortemente legata alle particelle colloidali idrofile (tensione matriciale) da divenire difficilmente utilizzabile da parte delle piante.

Per quanto riguarda il colore, anche se siamo soliti associare l’abbondanza dell’humus alle note scure, sono note tutte le varianti che partono dal giallo ed arrivano fino al nero, passando per tutte le tonalità del bruno.

 

STRUTTURA ED ORIGINE DELL’HUMUS

A un occhio già un po’ allenato a guardare alle sostanze organiche naturali sulla base della loro struttura, dando uno sguardo alla molecola qui a fianco – ripetiamo riportata a titolo puramente esemplificativo – non sarà di certo sfuggita una certa somiglianza con un’altra sostanza di origine naturale, anch’essa un eteropoliero, anch’essa che non brilla certo per biodegradabilità, ma al contrario dell’humus caratteristica dei sistemi biologici “in vivo”, ed in particolare delle piante. Stiamo parlando della lignina, quell’intricato polimero tridimensionale costituito da unità aromatiche di tipo benzeniche variamente ossidrilate con funzioni fenoliche – in vero in gran parte ossidate a chinoni – e con funzioni metossiliche, tenute insieme da catene propeniche, anch’esse ossigenate con gruppi alcolici, il tutto strettamente interlacciato – almeno questa è la realtà che più frequentemente ricorre nelle piante – con un’altra tipologia di polimeri, le emicellulose, mediante legami etere o estere. Una nota proiezione esemplificativa della struttura molecolare della lignina e le sue caratteristiche è disponibile nell’articolo “Da cosa è fatto il legno?”.

composione del legno

composione del legno

Pur non potendo affermare che l’humus si origina per sola degradazione della lignina, non possiamo tuttavia negare che questa sostanza ne costituisce un fondamento strutturale probabilmente irrinunciabile. Basti vedere la ricorrenza degli anelli aromatici e delle funzioni fenoliche e chinoniche riscontrabili anche a fronte di analisi spettroscopiche anche su sostanze umiche insolubili (es. tramite spettroscopia nel medio infrarosso) per intuire che le altre sostanze aromatiche presenti nei tessuti ex-viventi, tutte insieme, non basterebbero comunque a giustificare questa abbondanza di anelli benzenici.  A ricordarci la lignina, o meglio ancora come questa risultava strutturalmente legata a molecole di natura glicidica (come i pentosani delle emicellulose) troviamo anche nelle sostanze umiche la presenza sporadica di residui di carboidrati, non del tutto consumati dall’attività microbica di trasformazione.
Rispetto alla lignina però ricorrono importanti variazioni: in primo luogo la presenza, talvolta abbondante, di funzioni azotate – sia di tipo aminico alifatico che inserite in eterocicli – e la ricorrenza di gruppi funzionali carbossilici.
In generale si osserva un rapporto ossigeno/carbonio sensibilmente più elevato rispetto alle formule minime riferibili alla lignina: risultato questo quanto mai evidente che si tratta di molecole che hanno subito una prima trasformazione di tipo ossidativo in un ambiente ricco di ossigeno e con “la giusta” quantità di acqua.

 

FRAZIONI DELLE SOSTANZE HUMICHE

Quello che abbiamo fino a questo momento chiamato con la denominazione generica di humus – o di sostanze humiche – viene solitamente classificato in seguito a test di laboratorio sulla base delle due proprietà di solubilità in 3 frazioni principali:

–  Acidi humici
–  Acidi fulvici
–  Humina

Gli acidi sia humici che fulvici si sciolgono (o meglio ancora: “vengono estratti come un sol colloidale) in una soluzione diluita di alcali forti (es. idrossido di sodio): portando il pH in campo nettamente acido, ovvero fino a pH 1 tramite la graduale aggiunta di acido cloridrico, tuttavia, gli acidi humici tornano ad insolubilizzarsi e quindi precipitano, mentre gli acidi fulvici restano comunque in soluzione.
L’humina è invece quello che resta dal trattamento di estrazione, in quanto risulta insolubile anche in soluzione acquosa diluita di alcali.
Gli acidi fulvici, in linea con le loro caratteristiche di solubilità, presentano un ridotto peso molecolare ed un’incidenza particolarmente elevata, rispetto alle dimensioni della molecola, di gruppi idrofili (in particolare alcolici, fenolici e carbossilici), suscettibile fra l’altro di un’agevole salificazione già a partire da pH prossimi alla neutralità.  Anche l’abbondanza relativa della componente aromatica rispetto a quella alifatica negli acidi fulvici è caratteristicamente sbilanciata a favore di quest’ultima.

esempi di strutture molecolari di acidi fulvici

esempi di strutture molecolari di acidi fulvici

Tra le diverse strutture molecolari proposte e le poche effettivamente individuate fra gli acidi fulvici compaiono ben raramente anelli benzenici fra loro condensati: questo, insieme al basso tasso di insaturazioni coniugate, comprese quelle chinoniche, spiegherebbe la colorazione relativamente chiara di questa frazione dell’humus, una delle più influenti nel determinare la colorazione bruno-giallastra (pur nella sua trasparenza) di alcuni corsi d’acqua, come quello qui riportato in fotografia.

esempio struttura di acido humico

esempio struttura di acido humico

Agli acidi humici propriamente detti corrispondono strutture molecolari di dimensioni maggiori, una ricorrenza più elevata di anelli aromatici, anche condensati fra loro, elementi e gruppi funzionali diversi (comprensivi di aminici, tiolici, nitrili ed eterociclici vari) oltre che di porzioni molecolari idrofobiche come per esempio catene alifatiche che ricordano da vicino quelle degli acidi grassi ed anelli aromatici non ossidati… strutture queste che fanno in qualche modo presagire un legame fra la materia organica ex-vivente ed il petrolio, se si ammette in effetti la sua origine fossile.  Queste porzioni molecolari, talvolta significativamente estese, possono essere anche viste in funzione di un’anisotropia nella densità di carica che, addensata sui gruppi polari, diventa rarefatta in corrispondenza di queste zone: è qui che hanno luogo le interazioni deboli di tipo supramolecolare (es. interazioni pi-greco-pi-greco fra anelli benzenici, forze di Van der Waals, ecc) che consentono l’assorbimento di altre piccole molecole apolari e gli stessi legami fra unità divere di acidi umici a formare aggregati di dimensioni più grandi.
Al di là della struttura molecolare dei singoli componenti degli acidi umici, durante la loro titolazione acido base (ad esempio sull’estratto acquoso in alcali) è possibile notare due differenti pKa: la prima intorno al valore di 8 è relativa alla protonazione dei gruppi fenolati, la seconda, che si colloca in condizioni più acide, intorno a pKa 4 relativa alla protonazione dei gruppi carbossilici.
L’abbondanza dei gruppi fenolici e dei gruppi carbossilici, ed in particolare l’articolazione spaziale di questi ultimi, costituisce il fattore strutturale che consente agli acidi umici, sicuramente meglio rispetto ai fulvici, di creare complessi (chelati) con i cationi metallici nel terreno.

L’umina in qualche modo è quello che resta dell’humus dopo l’estrazione, ovvero la frazione che non passa in soluzione acquosa di alcali forti.
confezione di huminaSi tratta non a caso della frazione meno studiata dell’humus: gran parte delle tecniche analitiche attualmente disponibili, specie quelle che procedono in direzione di un frazionamento della miscela nelle singole specie chimiche costituienti, richiedono infatti come requisito la solubilità della sostanza in una qualche miscela.
Già sulla base delle sue proprietà chimico-fisiche, dell’umina possiamo però già immaginare che si tratti di miscele assai complesse di sostanze ad alto peso molecolare, povere di funzionalità carbossiliche e fenoliche e forse anche ricche di porzioni molecolari idrofobiche.

Tanto gli acidi humuci quanto quelli fulvici e l’umina sono da tempo disponibili sul mercato anche in frazioni separate, per impieghi sia in campo agricolo come ammendanti e addirittura per applicazioni insospettabili quali integratori alimentari.

 

CONCLUSIONI

“La terra non è una cosa che ti cresce sotto i piedi” – potrebbe affermare un saggio extraterrestre, ben consapevole della rarità e del valore di questa inestimabile risorsa – “Per poter apprezzare la terra, vi consiglio un giro sul pianeta che da essa ha preso appunto il nome: la Terra!”.
Una battuta che è destinata tuttavia a richiamare la nostra attenzione su un fatto tutt’altro che trascurabile: il terreno, così come noi lo immaginiamo e come lo stiamo descrivendo in questo articolo, non si sviluppa su tutti i pianeti, anzi, potremo a ragione definirlo come una sorta di rarità in ambito astronomico.  Non fosse altro per il fatto che il processo di pedogenesi così come noi lo intendiamo necessita della presenza di vita. Questa vita, che cresce in parte “sul” ed in parte “nel” terreno, fino a divenirne parte integrante, in aggiunta ai fattori abiotici di trasformazione (es. meccanici, chimici, idrogeologici, ecc) fa sì che la terra stessa possa essere in qualche modo intesa come una sorta di organismo vivente e la stessa ecologia possa essere intesa per similitudine come lo studio della sua biologia.

[su questo argomento si rimanda ad un articolo già pubblicato:  “Dai cicli degli elementi all’ecochimica: quando è il pianeta stesso a vivere”]

 

 

Una risposta a Da cosa è fatto l’humus? Formazione e proprietà della sostanza organica nel terreno

  • Robo scrive:

    Finalmente ho capito cosa sono, chimicamente, gli acidi fulvici (tra l’altro costituenti della medicina ayurvedica ed attualmente utilizzati in ambito “salutistico-sportivo”). Grazie per il bel post.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Sostieni la divulgazione della Chimica
Il tuo libero contributo sarà interamente devoluto alle attività di divulgazione della Chimica.
zona1




CONDIVIDI QUESTO ARTICOLO
RICHIEDI LA NEWSLETTER
Una mail settimanale con gli aggiornamenti delle pubblicazioni, le attività dell'Associazione e le novità del mondo della divulgazione chimica
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU FACEBOOK
segui chimicare anche su facebook
gli ultimi articoli inseriti
ARCHIVI ARTICOLI chimiSPIEGA PER MESE
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU TWITTER
Non solo gli aggiornamenti degli articoli pubblicati sui nostri blog e le novità del Carnevale della Chimica, ma anche le segnalazioni dei migliori interventi di divulgazione chimica in lingua italiana nel web.
ABBONATI AI FEED DI CHIMISPIEGA
Vota questo articolo..
http://www.wikio.it