La sostanza organica

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1 La sostanza organica La frazione solida di un suolo comprende anche la componente organica. Il contenuto di sostanza organica in un suolo è molto variabile, in genere nell intervallo %, (5% in media). Concentrazioni più elevate (i.e., intorno al 70% nei suoli della tundra) si riscontrano in aree geografiche con clima umido, da freddo a temperato, dove il processo di decomposizione della materia organica è lento.

2 LA SOSTANZA ORGANICA

3 Proprietà Colore. Il colore scuro del suolo è di frequente dovuto alla sostanza organica Può facilitare il riscaldamento

4 Proprietà Ritenzione idrica. La sostanza organica può trattenere fino a 20 volte il suo peso Aiuta a prevenire il disseccamento del terreno

5 Proprietà Azione tampone sul ph. La sostanza organica agisce da tampone in ambiente da leggermente acidi ad alcalini Aiuta a mantenere una uniformità nelle reazioni nel suolo

6 Proprietà Scambia cationi. La sostanza organica ha valori di CEC molto alti Contribuisce ad aumentare la CEC del suolo dal 20 al 70%

7 Proprietà Mineralizza. La decomposizione della sostanza organica produce CO 2, NO 3-, PO 3-4, SO 2-4, NH + 4 Fornisce un continuo flusso di nutrienti alle piante

8 Proprietà Limitata solubilità. Prevalgono le specie polimeriche Previene perdite per lisciviazione e percolazione

9 Proprietà Capacità complessante. Complessa ioni metallici Condiziona il destino e la disponibilità di cationi metallici

10 Componenti organiche La frazione organica di un suolo è costituita da un complesso mixing di composti che raggruppa: organismi viventi animali e vegetali (edaphon) materiale organico (SOM = Soil Organic Matter) sia inalterato che trasformato

11 SOM La materia organica trasformata, il cosiddetto humus, è costituita da resti vegetali ed animali in vario stato di decomposizione (sostanze non umiche) e da una miscela di sostanze colloidali sintetizzate dai microrganismi del suolo (sostanze umiche).

12 Costituenti della sostanza organica del suolo

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14 Costituenti della sostanza organica del suolo Composti a basso peso molecolare: AMMINOACIDI CARBOIDRATI ACIDI ORGANICI MONO- E BICARBOSSILICI, FENOLI

15 Costituenti della sostanza organica del suolo Composti ad alto peso molecolare: POLISACCARIDI ACIDI NUCLEICI LIPIDI LIGNINE CERE SOSTANZE UMICHE

16 Polisaccaridi Amido (polimero del D-glucosio usato per immagazzinare energia nelle piante); variamente ramificato. Cellulosa (il principale componente della parete cellulare del legno); polimero lineare del D-glucosio. Emicellulose, eteropolisaccaridi, in cui le singole unità monosaccaridiche formano con distribuzione casuale catene piú o meno ramificate.

17 Struttura dell AMIDO Struttura della CELLULOSA

18 Le emicellulose sono eteropolisaccaridi, in cui le singole unità monosaccaridiche formano con distribuzione casuale catene piú o meno ramificate, unite con una gran varietà di legami glicosidici, solitamente di tipo β. Struttura di una emicellulosa

19 Lipidi Grassi, resine, cere In genere, qualsiasi composto organico estraibile in solventi non polari CH 3 (CH) n COO(CH) m CH 3 LIPIDE CERA

20 Lignine Seconda componente più importante delle piante dopo la cellulosa: Polimero complesso formato da fenilpropani sostituiti e loro derivati

21 % rimasta Velocità di degradazione dei diversi composti fenoli cere lignina cellulosa emicellulose zuccheri solubili anni

22 lignina proteine lipidi polisaccaridi Degradazione Chinoni amminoacidi ac. grassi monosaccaridi Resintesi, trasformazione, (umificazione) neosintesi sostanze umiche

23 Umificazione Si definisce umificazione l insieme dei processi operati da agenti microbici e chimici che portano alla formazione della sostanza organica in sostanze umiche.

24 Ipotetica struttura delle sostanze umiche

25 DEFINIZIONI DI SOSTANZE UMICHE Le sostanze umiche sono composti amorfi, di colore scuro, parzialmente aromatici, in gran parte idrofili, chimicamente complessi, polielettroliti, con un peso molecolare che va da poche centinaia a migliaia di Da (Schnitzer e Khan, 1972). Le sostanze umiche costituiscono circa il 65% della sostanza organica del suolo e sono il prodotto di processi di resintesi (umificazione) dei prodotti della decomposizione e trasformazione chimica e biologica di biomolecole provenienti dalle spoglie e dalle emissioni di organismi vegetali ed animali (Stevenson, 1994). NUOVA TEORIA La sostanza organica è formata da diversi composti aventi peso molecolare relativamente basso tenuti insieme da legami intermolecolari deboli a formare una struttura supramolecolare (Piccolo, 2001)

26 Sostanze umiche Le sostanze umiche sono la componente predominante dell humus del suolo. Sono i composti organici che influenzano a più lungo termine il comportamento e destino degli elementi nel suolo.

27 Sostanze umiche Le sostanze umiche costituiscono una miscela complessa ed eterogenea di composti i quali non sono riconducibili ad una singola formula strutturale. Le sostanze umiche, il cui colore varia dal giallo al bruno fino al nero, si formano per reazioni di sintesi secondaria attivate da microorganismi del suolo.

28 Sostanze umiche Comprendono un continuum di polimeri che variano per: peso molecolare contenuto di C, H, N e O numero e tipo di gruppi funzionali sviluppo del polimero e della struttura solubilità in acqua.

29 Peso molecolare Questo continuum è dato, essenzialmente, da acidi umici (HA), a più alto peso molecolare ( dalton) acidi fulvici (FA), a più basso peso molecolare ( dalton)

30 Contenuto di C, H, N e O Gli acidi fulvici hanno contenuti più elevati di ossigeno ma minore presenza di carbonio rispetto agli acidi humici.

31 Sostanze umiche Le sostanze humiche hanno un ampio spettro di gruppi funzionali. I principali sono: carbossilico (COOH) carbonilico (CO) idrossilico (OH) amminico (NH 2 ) tiolico (SH) Gli acidi fulvici possiedono più gruppi funzionali di natura acida, come ad esempio il gruppo COOH.

32 Solubilità in acqua Gli acidi umici sono solubili solo in condizioni di ph alcalini. Gli acidi fulvici sono sempre solubili in acqua

33 Esempio di struttura di un acido fulvico

34 Esempio di struttura di un acido umico

35 Sostanze humiche - area e carica superficiali - La natura colloidale conferisce agli acidi umici e fulvici un elevata area superficiale. Sulla superficie sono presenti cariche negative prodotte dalla dissociazione acida di alcuni gruppi funzionali come quello carbossilico: COOH COO - + H +

36 La densità delle cariche di superficie è phdipendente e cresce all aumentare del valore del ph. Le sostanze umiche hanno, quindi, un elevata capacità di attrarre cationi, anche superiore a quella molti minerali argillosi. Sostanze humiche - carica superficiale - La capacità, però, è fortemente ridotta in condizioni di ph acidi, e nulla per ph < 4.5.

37 Sostanze humiche - CEC - La capacità di scambio cationico (CEC) delle sostanze umiche è elevata anche se molto variabile (in genere la CEC si colloca tra meq/100 g). La superficie specifica delle sostanze umiche è elevata (in genere è di 900 m 2 /g). Le sostanze umiche hanno valori di PZC compresi generalmente tra 4.5 e 5.5.

38 Interazioni sostanza organica frazione minerale Formazione di un complesso organo minerale dall interazione fra i minerali argillosi e la SOM

39 Complessazione dello ione Fe 3+

40 Le interazioni sostanza organica frazione minerale: - Modificano le proprietà di superficie della frazione minerale - Influenzano la stabilità dei colloidi minerali - Contribuiscono alla formazione di aggregati

41 Estrazione delle molecole umiche Le soluzioni acquose di basi forti, come NaOH, arrivano a solubilizzare, dopo ripetute estrazioni, i due terzi delle molecole umiche presenti nel suolo. Trattando l'estratto alcalino con HCI concentrato fino a ph 1 si ottiene la precipitazione della frazione a più alto peso molecolare, gli acidi umici. La frazione che rimane solubile in ambiente acido rappresenta gli acidi fulvici ed è composta da molecole umiche a più basso peso molecolare. La sostanza organica non estratta dalla soluzione alcalina è la frazione più umificata chiamata umina.

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