KWAS HUMUSOWY: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, PRODUKCJA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Kwas huminowy to ogólna nazwa rodziny związków organicznych wchodzących w skład substancji humusowych. Mają różne grupy funkcyjne, w tym grupy karboksylowe, fenole, pierścienie cukropodobne, chinony i pochodne aminokwasów.

Substancje humusowe, w skład których wchodzą kwasy huminowe, są rozmieszczone w glebach, wodach naturalnych i osadach, gdyż są wynikiem rozkładu odpadów roślinnych, zwierzęcych i naturalnych.

Materiał organiczny, który zamieni się w substancje takie jak kwasy humusowe. Autor: Pisauikan. Źródło: Pixabay.

Kwasy humusowe są częścią próchnicy i mają zdolność poprawiania wzrostu i odżywiania roślin, ponieważ pozwalają na dłuższe zatrzymywanie składników odżywczych w glebie, dzięki czemu są one dostępne dla roślin.

Są związkami amfifilowymi, to znaczy mają części związane z wodą i części, które odrzucają wodę, wszystkie w tej samej cząsteczce.

Ze względu na swoje grupy –OH i –COOH mogą tworzyć kompleksy z jonami lub kationami metali.

Dzięki łańcuchom węglowodorowym lub częściom aromatycznym mogą rozpuszczać i blokować policykliczne cząsteczki aromatyczne, które są toksyczne. Ponadto mają potencjalne zastosowanie w medycynie onkologicznej i przy wytwarzaniu skuteczniejszych farmaceutyków.

Struktura

Kwasy huminowe zawierają różne grupy funkcyjne, których ilość zależy od pochodzenia geograficznego kwasu humusowego, wieku, warunków środowiskowych i biologicznych oraz klimatu, w którym cząsteczka została wytworzona. Z tego powodu jego dokładna charakterystyka stała się trudna.

Jego główne grupy funkcyjne to fenol, karboksyl, enol, chinon, eter, cukry i peptydy.

Grupami funkcyjnymi, które nadają mu główne cechy, są grupy fenolowe, karboksylowe i chinonowe.

Wielka struktura kwasu humusowego składa się z części hydrofilowych utworzonych przez grupy -OH oraz części hydrofobowych składających się z łańcuchów alifatycznych i pierścieni aromatycznych.

Przykład cząsteczki kwasu humusowego, w którym można zaobserwować grupy fenolowe -OH, -COOH, chinon, reszty cukrowe i peptydy (-NH). Yikrazuul. Źródło: Wikimedia Commons.

Nomenklatura

- Kwasy humusowe.

- HA lub HA (kwasy humusowe).

Nieruchomości

Stan fizyczny

Amorficzne ciała stałe.

Waga molekularna

Ich masy cząsteczkowe wahają się od 2,0 do 1300 kDa.

Jeden Da lub Dalton jest wart 1,66 x ^10-24 grama.

Rozpuszczalność

Kwasy humusowe to frakcja substancji humusowych rozpuszczalna w alkalicznym środowisku wodnym. Są częściowo rozpuszczalne w wodzie. Nierozpuszczalny w środowisku kwaśnym.

Jego rozpuszczanie w wodzie jest złożone, ponieważ kwasy humusowe nie są pojedynczym składnikiem, ale mieszaniną składników, z których tylko niektóre są rozpuszczalne w wodzie.

Jego rozpuszczalność może się różnić w zależności od jego składu, pH i siły jonowej rozpuszczalnika.

Właściwości chemiczne i biologiczne

Cząsteczki kwasu huminowego na ogół mają część hydrofilową lub związaną z wodą i część hydrofobową, która odrzuca wodę. Dlatego mówi się, że są amfifilami.

Ze względu na swój amfifilny charakter kwasy humusowe tworzą w środowisku obojętnym lub kwaśnym struktury podobne do miceli, zwane pseudo-micelami.

Są słabymi kwasami, na co wpływ mają grupy fenolowe i karboksylowe.

Grupy typu chinonowego są odpowiedzialne za tworzenie reaktywnych form tlenu, ponieważ są one redukowane do półchinonów, a następnie do hydrochinonów, które są bardzo stabilne.

Obecność grup fenolowych i karboksylowych w cząsteczkach kwasu humusowego daje im zdolność do poprawy wzrostu i odżywienia roślin. Takie grupy mogą również sprzyjać kompleksowaniu z metalami ciężkimi. Wyjaśniają również jego działanie przeciwwirusowe i przeciwzapalne.

Z drugiej strony obecność grup chinonowych, fenolowych i karboksylowych jest związana z ich właściwościami przeciwutleniającymi, grzybobójczymi, bakteriobójczymi i antymutagennymi lub demutagennymi.

Zachowanie w środowisku wodnym w zależności od pH

W środowisku zasadowym grupy karboksylowe i fenolowe tracą protony H ⁺ , co powoduje, że cząsteczki są naładowane ujemnie w każdej z tych grup.

Z tego powodu ładunki ujemne są odpychane, a cząsteczka się rozciąga.

Gdy pH spada, grupy fenolowe i karboksylowe są ponownie protonowane, a efekty odpychające ustają, powodując, że cząsteczka przyjmuje zwartą strukturę, podobną do miceli.

W tym przypadku części hydrofobowe próbuje się zlokalizować wewnątrz cząsteczki, a części hydrofilowe są w kontakcie z ośrodkiem wodnym. Mówi się, że struktury te są pseudo-micelami.

Ze względu na to zachowanie stwierdzono, że kwasy humusowe mają właściwości detergencyjne.

Ponadto tworzą agregaty wewnątrzcząsteczkowe (we własnej cząsteczce), po których następuje agregacja międzycząsteczkowa (między różnymi cząsteczkami) i wytrącanie.

Solubilizacja dużych cząsteczek niepolarnych

Kwasy huminowe mogą rozpuszczać wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, które są toksyczne i rakotwórcze oraz są stosunkowo nierozpuszczalne w wodzie.

Węglowodory te są solubilizowane w hydrofobowym sercu pseudo-miceli kwasów huminowych.

Złożone formowanie z kationami metali

Kwasy huminowe oddziałują z jonami metali w środowisku zasadowym, w którym kationy lub jony dodatnie neutralizują ładunki ujemne cząsteczki kwasu humusowego.

Im wyższy ładunek kationu, tym większa jego skuteczność w tworzeniu pseudo-miceli. Kationy znajdują się w termodynamicznie preferowanych miejscach w strukturze.

W procesie tym powstają kompleksy kwas humusowy-metal, które przybierają kulisty kształt.

Ta interakcja zależy od metalu oraz od pochodzenia, masy cząsteczkowej i stężenia kwasu humusowego.

Otrzymywanie

Kwasy huminowe można uzyskać z materii organicznej gleby. Jednak struktura różnych cząsteczek kwasu humusowego różni się w zależności od położenia gleby, jej wieku i warunków klimatycznych.

Istnieje kilka metod uzyskania. Jeden z nich opisano poniżej.

Glebę traktuje się wodnym roztworem 0,5 N NaOH (0,5 równoważnika na litr) w atmosferze azotu przez 24 godziny w temperaturze pokojowej. Całość jest filtrowana.

Ekstrakt alkaliczny zakwaszono 2N HCl do pH 2 i pozostawiono na 24 godziny w temperaturze pokojowej. Skoagulowany materiał (kwasy humusowe) oddziela się od supernatantu przez wirowanie.

Aplikacje

- W rolnictwie

Stosowanie kwasów humusowych w rolnictwie było znane praktycznie od początku działalności rolniczej, ponieważ wchodzą one w skład próchnicy.

Gleba bogata w próchnicę, a więc bogata w kwasy humusowe, dobra do uprawy roślin. Autor: Markus Baumeler. Źródło: Pixabay.

Kwasy huminowe poprawiają wzrost i odżywianie roślin. Działają również jako środki bakteriobójcze i grzybobójcze w glebie, chroniąc rośliny. Kwasy huminowe hamują działanie fitopatogennych grzybów i niektóre z ich grup funkcyjnych zostały skorelowane z tą aktywnością.

Roślina porażona przez grzyba Alternaria solani, który można zwalczać kwasami humusowymi. AfroBrazylijczyk. Źródło: Wikimedia Commons.

Obecność grup karbonylowych siarkowych (S) i C = O w cząsteczce kwasu humusowego sprzyja działaniu fungistatycznemu. Wręcz przeciwnie, wysoka zawartość tlenu, aromatycznych grup CO i niektórych atomów węgla należących do cukrów hamuje fungistatyczne działanie kwasu humusowego.

Ostatnio (2019) badano wpływ stosowania nawozów azotowych o spowolnionym uwalnianiu na stabilizację kwasów humusowych obecnych w glebach i ich wpływ na uprawy.

Stwierdzono, że mocznik pokryty biowęgla polepsza strukturę i stabilność obecnych w glebie kwasów huminowych, sprzyjając zatrzymywaniu przez glebę azotu i węgla oraz poprawiając plonowanie upraw.

- W usuwaniu zanieczyszczeń

Ze względu na zdolność do tworzenia pseudo-miceli w środowisku obojętnym lub kwaśnym, jego przydatność w usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków i gleb była badana od wielu lat.

Metale są jednymi z zanieczyszczeń, które mogą zostać usunięte przez kwasy humusowe.

Niektóre badania pokazują, że efektywność sorpcji metali kwasów huminowych w roztworze wodnym ma tendencję do zwiększania się wraz ze wzrostem pH i stężenia kwasu humusowego oraz zmniejszeniem stężenia metali.

Stwierdzono również, że jony metali konkurują o miejsca aktywne cząsteczki kwasu humusowego, którymi są na ogół grupy fenolowe –COOH i –OH.

- W przemyśle farmaceutycznym

Udowodniono, że jest przydatny w zwiększaniu rozpuszczalności w wodzie leków hydrofobowych.

Przygotowano nanocząsteczki srebra (Ag) pokryte kwasami humusowymi, które zachowały stabilność przez co najmniej rok.

Te nanocząsteczki srebra i kwasu humusowego, wraz z właściwościami przeciwbakteryjnymi tego ostatniego, mają duży potencjał do wytwarzania leków.

Podobnie próbowano zwiększyć rozpuszczalność karbamazepiny, leku przeciwpadaczkowego, z kwasami humusowymi i okazało się, że lek staje się znacznie bardziej rozpuszczalny i skuteczny.

Taki sam efekt poprawy rozpuszczalności i biodostępności uzyskano w przypadku kompleksów kwasów huminowych i β-karotenu, prekursora witaminy A.

- W medycynie

Kwasy huminowe są silnymi sojusznikami w leczeniu różnych chorób.

Przeciw niektórym wirusom

Przeciwwirusowe działanie kwasów huminowych zostało zaobserwowane między innymi przeciwko wirusowi cytomegalii i ludzkim wirusom niedoboru odporności HIV-1 i HIV-2.

Cząsteczki kwasu huminowego mogą hamować replikację wirusa, wiążąc swój ładunek ujemny w środowisku zasadowym z określonymi miejscami kationowymi wirusa, które są niezbędne, aby wirus mógł związać się z powierzchnią komórki.

Przeciw rakowi

Stwierdzono, że kwasy huminowe mają rakotwórcze właściwości lecznicze. Przypisuje się to obecności chinonów w jego strukturze.

Struktura chinonu, grupy obecnej w cząsteczkach niektórych kwasów humusowych. Autor: Marilú Stea.

Chinony wytwarzają reaktywne formy tlenu, które powodują stres oksydacyjny i indukują apoptozę komórek rakowych poprzez fragmentację ich DNA.

Przeciw mutagenezie

Kwasy huminowe są inhibitorami mutagenezy w komórce i poza nią. Mutageneza to stabilna zmiana materiału genetycznego komórki, która może być przenoszona do komórek potomnych.

Stwierdzono, że zdolność do hamowania mutagenezy różni się w zależności od składu kwasów huminowych i ich stężenia.

Z drugiej strony wywierają działanie desmutagenne na substancje mutagenne, takie jak benzopiren (węglowodór poliaromatyczny obecny w niektórych produktach spożywczych), 2-nitrofluoren (węglowodór poliaromatyczny produkt spalania) i 2-aminoantracen.

Mutagenny wpływ benzopirenu na DNA. Richard Wheeler (Zephyris) 2007. Struktura roztworu trans-otwartego adduktu (10S) -dA +) - (7S, 8R, 9S, 10R) -7,8-dihydroksy-9,10-epoksy-7,8 , 9,10-tetrahydrobenzopiren w dupleksowym DNA. Wyprodukowano z {{PDB-1JDG}}. == Licencjonowanie == {{GFDL-. Źródło: Wikimedia Commons.

Mechanizm tego działania polega na adsorpcji mutagenu, dla którego najbardziej efektywne są kwasy humusowe o większych strukturach. Mutagen jest adsorbowany przez kwas humusowy i traci swoje działanie mutagenne.

Uważa się, że może to mieć znaczenie dla ochrony przed karcynogenezą.

- W branży kosmetycznej

Ze względu na ich zdolność do pochłaniania promieni UV i widzialnych, kwasy huminowe zostały zaproponowane do stosowania w blokerach przeciwsłonecznych, kremach przeciwstarzeniowych i produktach do pielęgnacji skóry.

Mogą być również stosowane jako konserwanty w produktach kosmetycznych.

- W przemyśle spożywczym

Ze względu na właściwości przeciwutleniające sugerowano jego stosowanie jako konserwantów żywności i suplementów diety.

Bibliografia

1. Gomes de Melo, BA i in. (2016). Kwasy huminowe: właściwości strukturalne i wielofunkcyjność dla nowatorskich osiągnięć technologicznych. Nauka o materiałach i inżynieria C 62 (2016) 967-974. Odzyskany z sciencedirect.com.
2. Wei, S. i in. (2018). Działanie grzybostatyczne multioriginowych kwasów huminowych w odniesieniu do ich struktury chemicznej. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2018, 66, 28, 7514-7521. Odzyskany z pubs.acs.org.
3. Kerndorff, H. and Schnitzer, M. (1980). Sorpcja metali na kwasie humusowym. Geochimica et Cosmochimica Acta Vol 44, str. 1701–1708. Odzyskany z sciencedirect.com.
4. Sato, T. i in. (1987). Mechanizm desmutagennego działania kwasu humusowego. Mutation Research, 176 (1987) 199-204. Odzyskany z sciencedirect.com.
5. Cheng, M.-L. et al. (2003). Kwas humusowy indukuje oksydacyjne uszkodzenie DNA, opóźnienie wzrostu i apoptozę w ludzkich pierwotnych fibroblastach. Exp Biol Med (Maywood) 2003 kwiecień; 228 (4): 413–23. Odzyskany z ncbi.nlm.nih.gov.
6. Li, M. i in. (2019). Sekwestracja węgla organicznego w substancjach humusowych w glebie, na którą wpływa stosowanie różnych nawozów azotowych w systemie płodozmianu warzyw. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2019, 67, 11, 3106-3113. Odzyskany z pubs.acs.org.