Le mécanisme de la formation et de l'action des humates

La structure des acides humiques. Le schéma de formation de l'humate. L'activité biologique des humates en tant que facteur cumulatif de l'influence sur l'écosystème "eau-plante-sol". La relation entre la structure des acides humiques et les différents facteurs de l'influence sur l'écosystème.

Dans la section précédente, nous avons cité les valeurs approximatives des gammes de poids moléculaire des substances humiques d'après R.T.Pettit. En fait, les acides humiques sont les substances ayant la structure très complexe, qui sont composées de fragments séparés interconnectés. La formule structurelle hypothétique d'un tel fragment est présentée à la Fig. 2.

Fig. 2. La formule structurelle possible du fragment de l'acide humique

L'idée la plus complète de la structure de ces composés est présentée dans la publication de D.A. Kniazeva et ses coauteurs. Sur la base du modèle de Schulte-Schnitzer, les auteurs ont établi que le monomère (fragment) de l'acide humique a une formule générale С305H299N16O134S avec le poids moléculaire de 6364. La formule comprend 26 groupes carboxyliques (COOH), 34 groupes phénoliques et hydroxyles (OH), 6 groupes aminés (NH2) et 7 atomes d'azote hétérocycliques. La molécule peut contenir de 2 à 15 de tels fragments, qui forment les chaînes à l'aide des liaisons hydrocarbonées ou chimiques, qui, en leur état naturel, sont enroulées en écheveau. Ces écheveaux créent de grands agrégats, qui forment la partie organique du sol. Les dimensions de tels agrégats atteignent 150 angströms, ce qui les empêche de pénétrer à travers la membrane cellulaire. Par conséquent, seule une petite quantité des substances humiques - les fragments de molécules formées à la suite de réactions chimiques dans la solution du sol ou sous l'effet des micro-organismes, peuvent pénétrer à l'intérieur de la cellule et exercer la fonction de stimulateur de croissance et de développement des plantes.

En outre, les acides humiques (AH) des caustobiolites naturelles sont en état lié. Ils font partie des complexes organo-minéraux, en formant les composés insolubles avec Ca, Mg, Fe, Al et d'autres composants minéraux. Leurs molécules sont pratiquement insolubles et immobiles, et les groupes fonctionnels sont bloqués, ce qui empêche l’ADN de manifester pleinement son activité biologique dans le sol, les engrais à base de tourbe et les améliorants.

En raison de la faible solubilité dans l'eau, l'activité biologique des acides humiques naturels est très basse, et c'est pourquoi, pour assurer la fertilité du sol, il faut que sa teneur en humus soit assez grande, comme dans les célèbres terres noires au sud de la Russie. Le traitement des complexes humiques naturels avec des agents alcalins les convertit en sels hydrosolubles - les humates de sodium ou de potassium d’après le schéma:

Il ressort clairement de ce schéma qu'après un tel traitement, la nature chimique de l'acide humique et sa conformation peuvent changer à la suite d'un remplacement artificiel du métal (le calcium, le magnésium, le fer, l'aluminium, etc.) en sodium (le potassium). À la suite de la dissociation ultérieure, les groupes fonctionnels acquièrent la charge électrique du même signe, et les molécules, en se repoussant les unes des autres, déroulent l’écheveau dans la longue chaîne. En conséquence, l'écheveau se dévide et la chaîne formée peut ainsi passer à travers la membrane cellulaire et pénétrer à l'intérieur de la cellule. Cela conduit à une augmentation du niveau d'activité biologique des molécules d'acide humique des milliers de fois.

Chaque groupe fonctionnel, qui est représenté sur le fragment (fig.2), joue son propre rôle, mais puisqu’il y a beaucoup de tels groupes, et c’est pourquoi l’influence des humates sur toutes stades de croissance et de développement des plantes est multiforme.

Par exemple, les groupes carboxyles (COOH) et phénoliques (OH) sont capables de former les complexes chélatiques avec les micro-éléments et de les transporter dans les plantes sous telle forme, ils assurent également la capacité élevée d'échange d'acides humiques. D'autres groupes, appelés Quinones (CO = C6H4 = OS), contenant des électrons non-localisés, sont capables de capturer, d'accumuler, puis de donner de l'énergie solaire à la cellule végétale, augmentant ainsi son énergie.

Ces deux exemples particuliers n’illustrent que certains aspects de l’activité biologique des humates. Le rôle important est joué non seulement par l’existence de groupes fonctionnels, mais aussi par leur emplacement mutuel.

En analysant les résultats des études de différents scientifiques, nous avons pu établir le schéma de 16 facteurs d'influence des humates sur l'écosystème "eau-plante-terre" (voir Fig. 3 et tableau. 3). Chacun de ces facteurs, indépendamment des autres, conduit à un certain résultat positif, ce qui se traduit en fin de compte par l'accroissement du rendement, l'augmentation de la qualité nutritionnelle et de la pureté écologique des fruits, l'accélération de la croissance, du développement et de la maturation des fruits, l'augmentation de la résistance aux maladies, aux mauvaises herbes, aux parasites, à la sécheresse, au gel et d’autres conditions défavorables.

Nous commencerons à considérer ce schéma par le système le plus simple "humat-eau". La solution d'humate dans l'eau sert de milieu nutritif aux plantes, mais l'interaction de l'humate avec l'eau est loin d'être limitée à ce fait évident. Il est établi (voir ci-dessous) que lors de la dissolution dans l’eau, les humates confèrent à la solution les propriétés de "l’eau de fonte", qui, comme nous le savons tous, а le pouvoir de pénétration accru et l’effet curatif sur les organismes vivants. Par exemple, les agriculteurs américains affirment que l'introduction de l'eau de fonte dans le régime alimentaire des porcs accélère leur croissance et rapporte "un bifteck par jour de chaque porc". Notons que l'eau dans les tissus de notre corps a également la structure de "l'eau de fonte". L'eau de fonte peut favoriser le transport des molécules d'humate hydratées dans les cellules de la plante. Les sources littéraires mentionnent un certain nombre de fonctions positives importantes de l'eau de fonte parmi lesquels on distingue les fonctions de stimulation du système immunitaire et, en conséquence, de la mobilisation des propriétés protectrices de l’organisme.

Afin de comprendre de quelle nouvelle structure d’eau il s'agit, la dépendance des caractéristiques de relaxation de l’eau à la concentration de l’acide humique (AH) selon les spectres RMN (résonance magnétique nucléaire) О17 dans le système AH-NaOH-D2O a été établie à l’Université d’État d’Irkoutsk. Dans les limites de la plage de concentrations relativement élevées, qui est de 0.025% ou plus, la valeur de ce paramètre est proche de celle de l'eau de sortie, mais ce paramètre augmente considérablement à la diminution de la concentration de l'humate, en dépassant la valeur maximale, qui correspond à la concentration de l'humate de 0.0004% (fig.4). L'amplification du signal de RMN de 52.7 à 103Hz peut être observée dans l'intervalle de concentrations de 0.0002 à 0.005%, c'est-à-dire, c'est dans cet intervalle que l’augmentation des valeurs de ce paramètre dépasse significativement la valeur d'origine. Probablement, c'est dans cette plage de concentrations qu’on peut observer l’influence maximale des molécules d’eau sur le changement de la structure supramoléculaire des acides humiques, ou en d'autres termes, sur le changement de la mobilité moléculaire des composants individuels et le degré de polydispersité des molécules des acides humiques. Étant donné que la dépendance des signaux RMN à la température de l'eau dans la plage de 0°C au point d'ébullition a la valeur de pointe similaire de 4°C, ce qui correspond à la la structuration maximale des molécules, on peut supposer que la structuration de la matrice aqueuse, qui entraîne l'apparition de l'effet de "l'eau de fonte", se produit dans une solution d'humate dans la plage de concentrations spécifiée. À notre avis, c'est un résultat très important qui s'inscrit dans la chaîne logique de justification de la concentration optimale de la solution d'humate dans les cellules et dans le plasma intercellulaire des plantes.

Il s'est avéré qu'il est plus facile de déterminer le rôle de la structuration de l'eau en présence d'humates au tout premier stade du développement des plantes - lors du trempage et de la germination des semences. Les semences viables du pois Pisum sativum L de faible vigueur (le test de ressemblance est de 16.7%) ont servi de l'objet de test. Le gonflement des semences a été effectué dans les boîtes de Pétri dans le thermostat à la température de 24°C dans le noir. Le taux de gonflement a été déterminé par la méthode gravimétrique dans 3, 4, 6 et 24 heures. On a fait germer les semences gonflées dans les rouleaux de papier à filtrer dans les mêmes conditions. Selon la quantité de semences normalement germées pendant 5 jours, la ressemblance en% par rapport à la quantité totale de semences et l’énergie germinative (par le nombre de semences le deuxième jour) ont été calculées. Après 5 jours, les longueurs des principales racines germinales ont été mesurées. Toutes les expériences ont été effectuées 3 fois (20 semences pour chaque expérience). Nous avons prouvé que la structuration de l'eau conduit au processus plus lent de gonflement des semences, parce que les polymères de l'eau structurée (de fonte) pénètrent plus lentement dans les semences grâce aux effets stériques (spatiaux), en assurant ainsi le régime doux du gonflement et en empêchant la rupture des membranes cellulaires. (Fig. 7., courbe 1). Par conséquent, les semences germent plus rapidement dans la plage de concentrations indiquée (courbe 2). Ce faisant, toutes les deux courbes ont un extremum clairement exprimé à une concentration de 0.001%.

Tableau 3. Les facteurs et les résultat d'influence des humates sur l'écosystème "eau-plante-sol".

Fig. 5. L’effet de la concentration d'humate de sodium sur le gonflement et la germination des semences de pois. 1- Gonflement en % par rapport à la masse initiale pendant 6 heures, 2 Longueur des racines germinales après 5 jours, cm

Ceci est bien illustré par la figure 7, où la dépendance de l'indice de croissance à la concentration d'humate dans la solution. Le graphique ci-après montre que cette dépendance dépasse la valeur maximale à une concentration de 0.001%, ce qui correspond au gonflement minimal et à la germination maximale, mais elle peut augmenter à nouveau lors de la nouvelle augmentation de la concentration. Par conséquent, le rôle prédominant n’est pas joué par la concentration, mais par la dose d’humate au stade de la croissance.

Fig. 6. Le changement de l'indice de croissance des germes de pois en fonction de la concentration d'humate de sodium.

Il est également établi que les humates lient les impuretés nocives, qui sont contenues dans l’eau (Ca, Fe, Al, etc.) et peuvent ainsi être utilisées pour la purification de l'eau de la pollution et la prévention de leur pénétration dans la plante tant du sol que de l'atmosphère (les pluies acides, les émissions atmosphériques industrielles, ets.).

On peut distinguer deux phénomènes indépendants, qui sont très importants dans le système "humate-plant".

Le premier phénomène - est une croissance de l'énergie de la cellule et l'intensification des processus métaboliques, qui y est afférente. Quatre liaisons pi conjuguées dont les électrons sont capables de capturer le quantum de l'énergie solaire avec la transition vers le niveau énergétique plus élevé, a un groupe quinone qui entre dans la composition de la molécule d'acide humique. L'énergie solaire ainsi accumulée peut être transférée à la cellule de la plante au moment opportun, ce qui conduit à l'intensification des processus métaboliques. Lors de la comparaison des propriétés paramagnétiques et de l'activité physiologique des acides humiques, il est établi que l'énergie lumineuse joue un rôle actif, ou peut-être, crucial, dans la formation du potentiel énergétique, de la composition et des propriétés physico-chimiques de l'humus. Le rayonnement électromagnétique induit le paramagnétisme et l'effet stimulant des acides humiques. Ainsi, les expériences spéciales sur le cotonnier, les cultures légumières et céréalières ont montré que les acides humiques ayant le paramagnétisme élevé stimulent le plus fortement la croissance et le développement des plantes à des concentrations de solution comprises entre 0.001 et 0.01%.

Nos expériences relatives à l’influence de certains types de champs sur les humates ont conduit à des résultats similaires. Le transfert des l'énergie accumulée par l'acide humique à la cellule de la plante, accélère le réveil et la germination des semences, le développement du système racinaire, stimule la croissance, active le métabolisme des protéines et des glucides, améliore la composition biochimique des plantes par la formation des enzymes spéciales. Ces enzymes augmentent la résistance des plantes aux facteurs environnementaux défavorables et aux situations stressantes, telles que la sécheresse, le gel, les maladies, et etc., et contribuent au développement des directions du processus d'absorption d'azote qui réduisent la formation de nitrates. Par ailleurs, le processus de la synthèse de la chlorophylle, des sucres, des vitamines, des acides aminés essentiels, des huiles s’accélère, la teneur en gluten augmente dans le blé, et etc. Il y a une intensification des processus de réparation dans les plantes endommagées (l’accélération de la réparation des cellules endommagées par les pesticides, les substances nocives et les organismes pathogènes). La respiration à travers le système végétatif et racinaire peut s'intensifier.

Cependant, jusqu'à présent, il y a un manque de clarté en ce qui concerne la manière dont cette énergie accumulée est transmise à la cellule, puisqu'il n'y a pas suffisamment de preuves de la pénétration des molécules entières de l'acide humique (AH) à l'intérieur de la cellule. Toutefois, grâce au carbone "marqué", il a été prouvé que la plus haute concentration des acides humiques (AH) s'accumule dans les membranes et les organelles cellulaires tels que les mitochondries et les ribosomes (R. Pettit, 1999). D'autres expériences similaires utilisant les acides humiques marqués par le carbone "marqué" ont montré que les fractions de masse moléculaire de faible poids des acides humiques sont plus actives que les fractions de masse moléculaire de poids élevé.

Plus récemment, une hypothèse intéressante a été exprimée. Les auteurs ont proposé l’explication du mécanisme d'action des substances humiques sur la cellule vivante, ce qui n'exige pas de suppositions sur le transfert des molécules de l’acide humique (AH) dans son environnement interne. Selon leur hypothèse, les macromolécules de l’acide humique (AH) sont absorbés à l'extérieur de la membrane du cytoplasme ou de la paroi cellulaire, en formant ainsi le filet ajouré, qui laisse passer librement les éléments nutritifs minéraux et les composés organiques de faible poids moléculaire tels que les sucres ou les acides aminés et lie simultanément les ions toxiques et les radicaux libres de l'environnement extérieur. Dans ce cas, le gain énergétique de l'utilisation de l’acide humique (AH) se traduit par la réduction des dépenses énergétiques de la cellule pour éliminer les effets négatifs des toxines, et l’augmentation de la pureté écologique des produits végétaux consommés s'exprime par la prévention de la pénétration des toxines dans la plante et leur transition dans l’état inactif. L'énergie libérée peut être utilisée pour augmenter l'intensité de la division cellulaire, ce qui entraîne la croissance accélérée des plantes. La croissance de l'énergie de la cellule conduit également à la meilleure assimilation des éléments nutritifs, ce qui entraîne notamment la réduction de plus de 50% des nitrates dans les fruits. En d'autres termes, il existe le lien direct entre la croissance de l'énergie de la cellule lors de la consommation d'humates et l'amélioration de l'assimilation des éléments nutritifs qui y pénètrent.

Le deuxième phénomène est une accélération de la perméabilité de la membrane cellulaire, ce qui accélère la respiration des plantes, facilite la pénétration des nutriments dans la cellule et, en fin de compte, conduit à l’augmentation de l'intensité de la croissance et du développement des plantes. En outre, il existe la relation directe entre l'intensité de la respiration et la pénétration des éléments nutritifs minéraux dans les plantes, ce qui entraîne l’effet synergique.

Les acides humiques (AH) influent simultanément sur les zones hydrophiles (ayant l’affinité pour l'eau) et hydrophobes (hydrofuges) sur la surface des membranes cellulaires. Dans ce cas, les acides humiques changent la charge électrique sur leurs composants phospholipidiques. À la suite de ces changements électriques à la surface de la membrane, elle devient plus actif pour le transport des micro-éléments et d'autres nutriments à l'intérieur du cytoplasme de la cellule.

Il est important de noter que ce phénomène est très sélectif. Par exemple, la perméabilité de l'ion de potassium augmente de deux ordres de grandeur (de 100 fois), et celle du sodium d’un (de 10 fois), ce qui exerce l’effet positif sur la nutrition des plantes.

Sur la base de la théorie qui prévoit trois étapes consécutives de l'entrée d'éléments nutritifs du sol à la plante, il a été établi que les deux premières étapes sont sont activées principalement par l'humate de potassium (le cation de potassium joue le rôle d'unité formant la structure), et la troisième étape est activée par l'humate de sodium (les cations de sodium exerce la fonction de transport). Par conséquent, il s'ensuit que le mélange d'humates de potassium et de sodium est optimal.

L'ouvrage cité montre également que le passage de la deuxième étape de l'absorption de nutrition minérale par la plante est liée à la respiration. Lors de l'absorption de l'oxygène par les cellules, les cations d'hydrogène et des anions de bicarbonate (HCO3 -) sont libérés dans la solution du sol. Ce sont eux qui sont le fonds d'échange pour l'absorption des ions du sol par le système racinaire. Par conséquent, il existe une relation directe entre l'augmentation de l'intensité de la respiration causée par les humates et l'amélioration de la pénétration des éléments nutritifs minéraux dans les plantes.

Une grande variété de phénomènes est observée dans le système des "humates - sol". La fertilité du sol a longtemps été liée à la présence d'humus en eux. Il est établi que les substances humiques participent à la régulation de presque toutes ses propriétés les plus importantes. Ils forment la coloration plus foncée du sol, augmentant ainsi le coefficient d'absorption des rayons solaires. Pour les pays à climat froid et tempéré, la capacité de l'humate à colorer le sol en couleur foncée est essentielle. En formant la coloration, les humates changent le régime thermique. Cela est particulièrement important pour les argileux froids et légers sablonneux, qui deviennent plus chauds sous l'effet des humates. Cela améliore les conditions de vie des micro-organismes du sol, le réveil des semences, la germination des plantes et leur croissance aux premiers stades de développement.

La structure colloïdale des acides humiques et l'hydrophilie élevée des groupes terminaux fonctionnels leur donnent la capacité de gélification. C'est ce qui explique l'augmentation répétée de la rétention d'humidité du sol après le traitement par les humates. Cette circonstance est extrêmement importante pour les régions arides, puisque le traitement avec des humates augmente la saturation en humidité et réduit la quantité d'eau nécessaire pour l’arrosage. Par exemple, la capacité de rétention d'humidité des sols sablonneux augmente de plus de 10 fois sous l'effet de l'humate. L’utilisation d’humates en tant qu’améliorants est basée sur les mêmes principes.

Le traitement prolongé avec des humates contribue à l'amélioration de la structure du sol. Nous avons déjà noté le rôle important de l'interaction des humates avec les métaux, ce qui conduit à la formation de complexes ou de sels insolubles. Il s'est avéré que ce processus est important non seulement pour la nutrition des plantes, mais aussi pour la structuration des sols. En pénétrant dans le sol, l'humate, qui réagit avec le calcium, le magnésium, l'aluminium et le fer, qui sont toujours présents dans le sol, forme les ponts organo-minéraux, qui lient les particules mécaniques du sol à la structure capable de résister à l'érosion et à la destruction de la couche fertile du sol par les vents, de retenir l'humidité et l'air, de créer l’environnement favorable pour l'activité vitale des micro-organismes et d'augmenter la fertilité du sol.

Les humates dans le sol sont un garde-manger, qui stocke les nutriments apportés à la plante en fonction de ses besoins.

Les humates forment les composés insolubles avec des métaux lourds (le plomb, le mercure, le chrome, le cadmium), dont la pénétration dans le fruit, puis dans l’organisme humain et animal, entraîne de graves maladies et créent ainsi l’obstacle à leur pénétration dans la cellule de la plante. La photographie par satellite a établi qu'il est possible de préserver l'équilibre écologique, malgré l’impact anthropique intensif, dans les régions où les sols riches en acides humiques. De grande importance est une capacité de l'humate à lier les ions de fer et d'aluminium, dont les quantités excessives dans le sol ont un effet néfaste sur la nutrition des plantes en phosphore, en complexes. Dans le même temps, le fer forme des complexes avec des humates qui le transportent aux plantes, et l'aluminium se lie aux composés insolubles et, par conséquent, son effet nocif sur les phosphates est ainsi neutralisé.

L'interaction des humates avec les minéraux du sol, les agrégats du sol, l'humidité du sol et la microflore du sol est tellement diversifiée que ces questions seront examinées plus en détail dans nos articles suivants.