Mecanismo de formación y acción de humatos

Estructura de ácidos húmicos. Esquema de formación de humato. Actividad biológica de humatos como un factor acumulativo de influencia sobre el ecosistema “agua-planta-suelo”. Relación entre la estructura de ácidos húmicos y diferentes factores de influencia sobre ecosistema.

En el capítulo anterior proporcionamos los valores aproximados de los rangos de masa molecular de sustancias húmicas según R.T.Pettit. En realidad los ácidos húmicos – son sustancias de estructura muy compleja, que están compuestos de varias enzimas relacionadas entre ellas. La formula estructural hipotética de tal enzima está reflejada en imagen 2.

Imagen 2. Formula estructural posible de enzimas del ácido húmico.

La percepción más completa sobre la estructura de estos compuestos está en la publicación de D.A.Kniazev, escrita junto con otros coautores. A base de modelo de Schulten-Schnitzer los autores determinaron que el monómero (fragmento) de ácido húmico tiene la formula general С305H299N16O134S con masa molecular de 6364. La formula incluye 26 grupos de carboxilos (COOH), 34 grupos fenólicos e hidroxílicos (OH), 6 grupos aminos (NH2) y también 7 átomos de nitrógeno heterocíclicos. La molécula puede contener de 2 a 15 fragmentos de este tipo, formados por una cadena de hidrocarburos o enlaces químicos, que se enrollan de una manera natural. Estas bolas forman grandes equipos que forman la parte orgánica del suelo. Los tamaños de tales equipos alcanzan 150 Angstrem lo que no les permite atravesar la membrana celular. Por eso en las condiciones naturales sólo una pequeña parte de las sustancias húmicas – los trozos de fragmentos de moléculas, formando como resultado de las reacciones químicas de residuos acuosos del suelo o a consecuencia de microorganismos, pueden pasar dentro de una célula y actuar como un estimulador del crecimiento y desarrollo de las plantas.

Además, en caustobiolitos naturales el ácido húmico está en un estado ligado. Forman parte de complejos órgano-minerales, formando compuestos insolubles con Ca, Mg, Fe, Al y con otros componentes minerales. Sus moléculas son prácticamente insolubles e inmóviles, y los grupos funcionales están bloqueados lo que no permite a ácido húmico demostrar por completo su actividad biológica en el suelo, fertilizantes de turba y enmiendas.

En resultado de la escasa solubilidad en el agua, la actividad biológica de los ácidos húmicos naturales es muy pequeña, y a por esta razón para garantizar la fertilidad de suelo, la concentración de humus en el agua debe ser bastante alta, como por ejemplo en el famoso chernozem (suelo negro rico en humus) en el sur de Rusia. El tratamiento de complejos de humus naturales con los agentes alcalinos los convierte en las sales solubles en agua- humatos de sodio o potasio según el esquema:

Ácido húmico. Humato de calcio natural. Humato de calcio industrial.

De este esquema resulta que después de tal tratamiento, como el resultado de reemplazo artificial de metal (calcio, magnesio, hierro, aluminio, etc.) por sodio (potasio), se cambia la naturaleza química del ácido húmico, y su estructura. Los grupos funcionales en resultado de disociación posterior adquieren una carga eléctrica de mismo nombre y parte de las moléculas, chocando entre sí, despliegan la bola en una cadena larga. En el resultado la bola se despliega y se forma una cadena ya en un estado capaz para atravesar una membrana celular y entrar dentro de la célula. Esto causa un incremento del nivel de actividad biológica de moléculas del ácido húmico en mil veces más.

Cada grupo funcional, reflejado en el fragmento (imagen 2), desempeña su propio papel, y estos grupos son muy numerosos, por lo tanto la influencia de los humatos en todas las etapas de crecimiento y desarrollo de las plantas, es multifacética.

Por ejemplo los grupos carboxílicos (COOH) y fenólicos son capaces de formar los complejos de quelatos con microelementos y de este modo, transportarlos a las plantas, ellos mismos garantizan una alta capacidad de intercambio de ácidos húmicos. Otros grupos, llamados “quinonas” (СО = С6Н4 = ОС), contienen electronos no localizados, capaces de capturar, acumular y luego pasar a la célula de una planta la energía solar, aumentando de esta manera su energía.

Estos dos ejemplos privados ilustran sólo algunos aspectos de actividad biológica de humatos. El papel importante desempeña no sólo los grupos funcionales, sino su situación recíproca.

Analizando los resultados de investigaciones realizadas por diferentes científicos, pudimos crear un esquema de 16 factores de influencia de humatos en ecosistema “agua-planta-tierra” (ver imagen 3 y tabla 3). Cada uno de estos factores independientemente de otros tienen a cierto resultado positivo lo que se refleja en el resultado final, en especial en aumento de fertilidad, aceleración de crecimiento, desarrollo y maduración de frutos, aumento de resistencia a las enfermedades, malezas, plagas, sequías, heladas y otras condiciones desfavorables.

El estudio de este esquema empezaremos de un sistema más simple – “humato-agua”. La solución de humato en agua sirve de ambiente nutritivo para las plantas, pero la interacción de humato con agua no se limita sólo con este hecho tan claro. Fue determinado (ver a continuación) que los humatos al ser disueltos en agua, proporcionan al agua unas características de “agua de deshielo”, que como se sabe tiene una capacidad de penetración superior y un efecto curativo sobre los organismos vivos. Por ejemplo los granjeros norteamericanos confirman que después de introducir en alimentación de los cerdos agua de deshielo, su crecimiento acelera y en resultado de esto tienen hasta “un bistec más al día de cada cerdo”. Queremos prestar atención que el agua en los tejidos de nuestro cuerpo también tiene la estructura de “agua de deshielo”. El agua de deshielo puede favorecer transportación de moléculas hidratadas de humato a las células de plantas. En las fuentes literarias se destaca una serie de las funciones positivas del agua de deshielo, entre los cuales se encuentran las funciones de estimulación del sistema inmune y, como el resultado, movilización de las propiedades protectoras del organismo.

Para entender de qué nueva estructura de agua se trata, en la Universidad Pública de Irkutsk fue determinada la dependencia de concentración de ácido húmico de las características de relajación de agua con espectroscopia con RMN O17 (resonancia magnética nuclear) en el sistema de ácido húmico – NaOH-D2O. En área de unas concentraciones relativamente altas – 0,025% y más – los valores de este parámetros son semejantes a los valores de agua de origen, pero reduciendo la concentración de humato, este parámetro aumenta bruscamente, pasando por valor máximo en el punto que corresponde a la concentración de humato 0,0004% (imagen 4). En el rango de concentraciones de 0,0002 – 0,005%, se observa la amplificación de la señal de RMN de 52,7 a 103 Hz, es decir, en este intervalo precisamente, el crecimiento de los valores de este parámetro excede significativamente el valor inicial. Probablemente, en este rango de concentraciones se observa el impacto máximo de las moléculas de agua sobre el cambio de la estructura supramolecular de los ácidos húmicos, o, en otras palabras, sobre el cambio en la movilidad molecular de los componentes individuales y el grado de polidispersidad de las moléculas de ácidos húmicos. Dado que la dependencia de las señales de RMN de la temperatura del agua en el rango de 0 al punto de ebullición tiene un pico similar en la zona 4 0C, lo que corresponde a la estructuración máxima de las moléculas, se puede suponer que en la solución de humato en el rango de concentración indicado, tiene lugar la estructuración de la matriz de agua, lo que lleva al efecto de obtención del “agua de deshielo”. Desde nuestro punto de vista, es un resultado muy importante, Desde nuestro punto de vista, este es un resultado muy importante, que fue invertido en la cadena lógica de justificación de una concentración óptima de solución de humato en las células y en el plasma intercelular de las plantas.

Parámetros de RMB. Concentración de humato. Imagen 3 Relación entre magnitud de RMN y concentración de humato.

Fue detectado que determina el papel de agua estructurada es más fácil en presencia de humatos en la primera etapa de desarrollo de plantas – al remojar y germinar las semillas. Los objetos de prueba fueron las semillas viales de guisantes Pisumsativum L un nivel de Vigor bajo (control de similitud de 16,7%). El remojo de semilla fue realizado en placa de Petri en un termostato a 24ºC en la oscuridad. La velocidad de hinchamiento se determina con el método de peso dentro de 3, 4, 6 y 24 horas. Las semillas hinchadas germinaron dentro de los rollos de papel de filtro en las mismas condiciones. Con los datos de cantidad normal de las semillas germinadas durante 5 días fue calculada la semejanza en % en relación con la cantidad general de semillas y energía de brote (según el número de semillas germinadas al segundo día). Después de 5 días midieron la longitud de las raíces germinales principales. Todas las investigaciones fueron llevadas a cabo con 3 repeticiones (20 semillas en cada). Nosotros hemos demostrado que la estructuración de agua afecta el proceso de hinchar las semillas, se vuelve más lento, ya que los polímeros del agua estructurada (derretida) con ayuda de efectos estéricos (de germinación) penetran de una manera más lenta dentro de semilla, garantizando un régimen suave de remojo y evitando que se rompan las membranas celulares. (Imagen 7, curva 1). En el resultado, las semillas, en el rango indicado de concentración, germinan más rápido (línea 2). Sin embargo, ambas curvas tienen un extremo bien determinado con una concentración de 0,001%.

Tabla 3. Factores y resultados de efecto de humato sobre el ecosistema “agua-planta-suelo”.

Hinchamiento. Longitud de la raíz principal, cm.

Imagen 5. Influencia de concentración de humato de sodio sobre el hinchamiento y germinación de semillas de guisantes. 1 – Hinchamiento en % en relación con la masa inicial dentro de 6 horas, 2 – Longitud de raíces germinales dentro de 5 días, cm.

Esto está muy bien reflejado en la imagen 7, donde se muestra la dependencia del índice de crecimiento en la concentración de humato en solución. En el diagrama presentado podemos ver que esta dependencia pasa por el máximo con concentración 0,001% que corresponde al mínimo de hinchamiento y al máximo de germinación, pero durante el crecimiento posterior la concentración se incrementa otra vez. En consecuencia, en la etapa de crecimiento, el papel predominante tiene la dosis de humato y no la concentración.

Imagen.7. Cambio en el índice de crecimiento bajo influencia de humato de sodio. Control.

Imagen 6. Cambio en el índice de crecimiento de brotes de guisantes depende de concentración de humato de sodio.

También fue establecido que los humatos vinculan los contaminantes contenidos en el agua (Ca, Fe, Al, etc.) y de esta manera pueden ser utilizados para purificación del agua de impurezas y bloque de su ingesta por la planta como del suelo, tanto de la atmósfera (lluvia ácida, emisiones a la atmósfera, etc.).

En el sistema “humato-planta” se observan dos fenómenos independientes pero son de mucha importancia.

Primer fenómeno es crecimiento de energía celular y asociada con esto la intensificación de los procesos metabólicos. Los grupos quinonas que forman parte de la estructura de la molécula de ácido húmico tienen cuatro enlaces pi vinculados, cuyos electrones son capaces de capturar el quantum de energía solar con la transición a un nivel de energía más alto. Acumulada de tal manera la energía solar puede ser transmitida a la célula de una planta en el momento adecuado, lo que caso la intensificación de los procesos de metabólicos. Al comparar las propiedades paramagnéticas y la actividad fisiológica de los ácidos húmicos, fue establecido que la energía de luz tiene una participación activa, y posiblemente clave, en la formación del potencial energético, la composición y las propiedades físicas y químicas del humus. La radiación electromagnética induce el paramagnetismo y el efecto estimulante de los ácidos húmicos. Por lo tanto, los experimentos especiales en cultivos de algodón, vegetales y granos mostraron que los ácidos húmicos con alto nivel de paramagnetismo en concentraciones de solución entre 0,001 y 0,01% estimulan en el máximo grado el crecimiento y desarrollo de las plantas.

Nuestros experimentos sobre los efectos de algunos tipos de campos sobre los humatos llevaron a los resultados similares. La transmisión de la energía a la célula de una planta, acumulada por el ácido húmico, acelera el despertar y la germinación de las semillas, el desarrollo del sistema radicular, estimula el crecimiento, activa el metabolismo de las proteínas y los carbohidratos, mejora la composición bioquímica de las plantas creando enzimas especiales. Estas enzimas aumentan la resistencia de la planta a los a factores ambientales adversos y situaciones de estrés tales como sequías, heladas, enfermedades y otras, y contribuyen al desarrollo de tales orientaciones del proceso de absorción de nitrógeno que reducen la formación de nitratos. Al mismo tiempo acelera la síntesis de cromófila, azúcares, vitaminas, aminoácidos necesarios, aceites, se aumenta el contenido de gluten en el trigo, etc. Tiene lugar la intensificación de los procesos de reparación en las plantas dañadas (aceleración de recuperación de células dañadas con plaguicidas, sustancias nocivas y organismos patógenos). La intensificación de respiración a través de sistema vegetativo y de raíces.

No obstante, hasta ahora no está completamente claro de qué manera esta energía acumulada se transmite a la célula, ya que no hay evidencia suficiente de ingesta de macromoléculas completas de ácido húmico dentro de la célula. Sin embargo, con ayuda de carbono “marcado” fue comprobado que la mayor concentración de ácido húmico se acumula en las membranas celulares y orgánulos celulares como mitocondrias y los ribosomas (R. Pettit, 1999). Otros experimentos semejantes con aplicación de ácidos húmicos marcados “señalado” con carbono demostraron que las fracciones de bajo peso molecular de ácido húmico son más activos que los del alto peso molecular.

Una hipótesis interesante fue hecha relativamente hace poco. Los autores ofrecieron una explicación del mecanismo de acción de las sustancias húmicas en la célula viva, que no requiere suposiciones acerca de la transferencia de moléculas del ácido húmico a su ambiente interno. De acuerdo con su hipótesis, las macromoléculas del ácido húmico se absorben en el exterior de la membrana del citoplasma o la pared celular, formando una red de “encaje”, dejando pasar libremente a la célula los elementos de la nutrición mineral y los compuestos orgánicos de bajo peso molecular, tales como azúcares o aminoácidos, y a la misma vez juntando los iones tóxicos y radicales libres del medio ambiente. En este caso la ventaja energética del uso de ácido húmico consiste en reducción de gastos de energía de una célula para eliminar los efectos negativos de toxinas, y el aumento de la pureza ecológica de los productos de cultivos consumidos se refleja en el bloqueo de ingreso de toxinas dentro de la planta y en resultado su estado inactivo. La energía liberada puede ser dirigida para aumentar la intensidad de división celular, lo que provoca el crecimiento acelerado de una planta. El incremento de energía de una célula provoca también una mejora de asimilación de elementos nutritivos que, en especial, lleva a reducción de nitratos en los frutos más de un 50%. Es decir, existe una dependencia directa entre la energía de una célula con el consumo de humatos y mejora de asimilación por esta de los elementos nutritivos.

Segundo fenómeno es aumento de permeabilidad de membrana celular lo que acelera la respiración de las plantas, mejora la ingesta de nutrientes dentro de la célula y al final lo que incrementa aumenta la intensidad de crecimiento y desarrollo de plantas. Además, existe una dependencia directa entre la intensidad de respiración y permeabilidad de elementos de nutrición mineral de las plantas lo que lleva al efecto sinergético.

Los ácido húmicos al mismo tiempo influyen tanto en las áreas hidrófilas (que tienen afinidad con el agua), como a las hidrófobas (repelentes al agua) en la superficie de las membranas celulares. Al mismo tiempo, los ácidos húmicos reemplazan la carga eléctrica en sus componentes de fosfolípidos. Como resultado de estos cambios eléctricos en la superficie de la membrana, esta se vuelve más activa para el transporte de microelementos y otros nutrientes dentro del citoplasma celular.

Es importante destacar que este fenómeno es bastante selectivo. Por ejemplo la permeabilidad del ion de potasio se aumenta dos órdenes de magnitud (100 veces), y sodio sólo uno (10 veces) lo que influye positivamente en la nutrición de las plantas.

Basándose en la teoría de tres etapas consecutivas de nutrición mineral del suelo a la planta, fue demostrado que las primeras dos etapas se activan principalmente los humatos de potasio (catión de potasio desempeña el papel de unidad de formación de estructura), y la tercera etapa – humato de sodio (cationes de sodio cumplen la función de transportación). De aquí resulta que la más óptima es una mezcla de humatos de potasio y sodio.

En el trabajo mencionado fue demostrado también que la segunda etapa de absorción de nutrición mineral por la planta está asociada con la respiración. Cuando las células absorben el oxígeno, a la solución del suelo se liberan los cationes de hidrógeno y los aniones bicarbonato (HCO3-). Precisamente estos resultan ser el fondo de intercambio para la absorción por el sistema de raíces de los iones del suelo. Por eso, existe una relación directa entre el aumento en la intensidad de la respiración causada por los humatos y la mejora de la penetración de elementos de nutrición mineral en las plantas.

En el sistema “humato-suelo” se observa una amplia gama de fenómenos. La fertilidad del suelo desde hace mucho relacionaban con la presencia de humus en él. Fue determinado que las sustancias húmicas participan en regulación de prácticamente todas sus propiedades más importantes. Hacen el color del suelo más oscuro, precisamente con esto se aumenta el coeficiente de absorción de la luz de rayos solares. Para los países con el clima frio o moderado la capacidad de cambiar el suelo al color más oscuro es esencial. Formando el color, los humatos cambia el régimen de temperaturas. Es especialmente importante para los suelos fríos de arcilla y tierras claras de arena, que bajo el efecto de humatos se hacen más cálidos. Esto mejora las condiciones de vida de microorganismos del suelo, despertar de las semillas, germinación de las plantas y su crecimiento en las primeras etapas de su desarrollo.

La estructura coloidal de los ácidos húmicos y la alta hidrofilicidad de los grupos terminales funcionales les dan la capacidad de gelificarse. Precisamente esto explica el aumento observado más de una vez en el contenido de humedad del suelo después del tratamiento con humatos. Esta circunstancia es extremadamente importante para las regiones áridas, ya que el tratamiento con los humatos aumenta el contenido de humedad del suelo y reduce la cantidad de agua necesaria para el riego. Por ejemplo, en los suelos arenosos la capacidad de retención de humedad bajo el efecto de humato se aumenta más de diez veces. Sobre estos principios se basa la aplicación de humatos en calidad de enmiendas.

El tratamiento duradero con los humatos mejora la estructura de los terrenos. Antes ya fue destacado el papel importante de interacción de humatos con metales lo que lleva a formación de complejos o sales insolubles. Resultó que este proceso es importante no sólo para nutrición de las plantas, sino también para la estructuración de los terrenos. Una vez esté en el suelo, el humato reaccionando con calcio, magnesio, aluminio e hierro, que siempre están en el suelo, forman enlaces de órgano-minerales, que conectan partículas mecánicas del suelo en alguna estructura capaz de resistir ante la erosión o que la capa superior del terreno fértil sea llevado por los vientos, reteniendo humedad y aire crear un ambiente favorable para la vida de microorganismos y aumentar la fertilidad del suelo.

Humatos en el suelo – es un componente donde se acumulan los nutrientes que se pasan a la planta en la medida que lo necesite.

Los humatos forman los compuestos no solubles con metales pesados (plomo, mercurio, cromo, cadmio, etc.), que pasando dentro a los frutos y luego dentro del organismo de una persona o planta, causan enfermedades graves y por lo tanto crean un impedimento para la penetración dentro de la célula vegetal. Con las fotografías tomadas del espacio fue determinado que en las regiones donde las tierras son ricas en ácidos húmicos, es posible conseguir conservar el equilibrio ecológico, a pesar de una carga tecnogénica intensiva. Mucho valor tiene la capacidad de humato de unir en los complejos los iones de hierro y aluminio, las cantidades excesivas en el suelo de los cuales tienen un efecto perjudicial sobre la nutrición de las plantas con el fósforo. Sin embargo, el hierro forma los complejos con humatos que garantizan su transportación dentro de la planta y el aluminio se une a un compuesto insoluble, y por lo tanto su efecto nocivo sobre los fosfatos se neutraliza.

La interacción de los humatos con los minerales del suelo, los agregados del suelo, la humedad del suelo y la microflora del suelo es tan diversa que estos temas se tratarán más detalladamente en nuestros artículos posteriores.