Substâncias Húmicas

As substâncias húmicas (SH) estão presentes no meio natural, ocorrendo em grandes quantidades nos solos, sedimentos e na água (MALCOLM, 1990; THACKER et al., 2005). Elas possuem massa molar variável, coloração variada de amarelada a preta, peso molecular relativamente alto e solubilidades diferentes em meio ácido e alcalino (PRIMO; MENEZES; SILVA, 2011; STEVENSON, 1994). Por apresentarem alta complexidade química e forte interação com a fração coloidal inorgânica do solo, as SH decompõem-se lentamente e acumulam-se progressivamente nos solos (MUSCOLO; SIDARI; NARDI, 2013).

Em geral, as SH são compostas por uma grande variedade de anéis aromáticos (fenólico e quinona), os quais são ligados por grupos funcionais ou por cadeias alifáticas (PICCOLO, 2002; STEVENSON, 1994).

Com base na sua solubilidade em meio aquoso, as substância húmicas são divididas em:

 Ácidos Fúlvicos: fração que permanece em solução quando o extrato alcalino é acidificado e possui maior presença de grupamentos carboxílicos e de oxigênio;

 Ácidos Húmicos: fração escura solúvel em extrato alcalino, que precipita após a acidificação. Representam também a porção mais estável da matéria orgânica;

 Humina: fração insolúvel em qualquer intervalo de pH.

1.2.4. 1. Formação das substâncias húmicas e modelos

Existem diversas teorias sobre a formação das substâncias húmicas, porém a teoria clássica, popularizada por Waksman (STEVENSON, 1994), propõe que as substâncias húmicas são ligninas modificadas, porém esta hipótese foi considerada incompleta e alguns autores também consideram o envolvimento das quinonas, que são produtos derivados da lignina no processo de formação das substâncias húmicas (STEVENSON, 1994).

A Figura 2 esquematiza a proposta de Stevenson (1994) sobre a formação das substâncias húmicas. Este autor explana quatro vias principais: no mecanismo 1, propõe-se a formação de húmus a partir da polimerização não enzimática por condensação entre

aminoácidos e açúcares, formados como subprodutos da atividade microbiana; nos mecanismos 2 e 3 estão envolvidas a participação de polifenóis e quinonas, e no mecanismo 4 estão os produtos derivados das ligninas modificadas.

Figura 2: Principais vias propostas para a formação de substâncias húmicas pela decomposição de resíduos animais e vegetais no solo.

Fonte: Adaptado de Stevenson, 1994.

Uma segunda questão que envolve as substâncias húmicas é a estrutura química das mesmas. Desde a década de 1960, modelos para tal estrutura são propostos (KONONOVA, 1961; SCHNITZER, 1978), porém, segundo Stevenson (1994), nenhuma foi inteiramente satisfatória. Esta dificuldade ocorre devido a heterogeneidade e a complexidade das substâncias húmicas, bem como a ausência de sua identidade estrutural genética.

Schulten and Schnitzer, (1993), baseados em estudos espectroscópicos, pirólise, degradação oxidativa e microscopia eletrônica, apresentaram um modelo estrutural para o ácido húmico (Figura 3). No modelo proposto por Schulten and Schnitzer, (1993), as SH apresentam grandes porções de grupos funcionais alifáticos; as funções oxigenadas estão presentes nos grupos funcionais carboxílicos, hidroxílicos, fenólicos, éter e éster. A composição elementar da estrutura do ácido húmico é C308H328O90N5 e tem tamanho molecular de 5540 Da (SCHULTEN;

SCHNITZER, 1993). Em 1997 os mesmo autores propuseram um modelo tridimensional para o ácido húmico, que foi chamado de macromolecular (Figura 4).

Figura 3:Estrutura química do ácido húmico proposto por Schulten e Schnitzer (1993)

Fonte: Schulten e Schnitzer (1993)

Figura 4: Modelo estrutural propostos pela teoria macromolecular Schulten & Schnitzer (1997), em que as esferas azuis, vermelhas, brancas e pretas representam os átomos de carbono, oxigênio, hidrogênio e nitrogênio, respectivamente. As letras A, B e C indicam os espaços “vazios” presentes na molécula das SH capazes de interagir com outros compostos

Fonte: Schulten & Schnitzer, 1997

Neste modelo, as variações conformacionais das SH são similares àquelas observadas nas macromoléculas biológicas, como proteínas, polissacarídeos, ácidos nucléicos e ligninas (Fig.4)

(SWIFT, 1999), e dependem da concentração das moléculas húmicas, do pH (SENESI, 1990) e da concentração iônica (SCHULTEN; SCHNITZER, 1993). Além disso, o modelo tridimensional apresenta uma série de espaços vazios de diferentes tamanhos no interior da macromolécula, os quais poderiam alojar outros compostos orgânicos hidrofóbicos ou hidrofílicos, como proteínas, carboidratos, pesticidas, lipídios e agrotóxicos (SCHULTEN; SCHNITZER, 1993).

Piccolo (2002), baseado em uma nova combinação de métodos químicos e modelos matemáticos computacionais, sugeriu, um novo conceito a respeito das características estruturais das SH. Este modelo, chamado de supramolecular, propõe que as SH são formadas por moléculas pequenas e heterogêneas de várias origens, auto-organizadas em conformações supramoleculares, o que explicaria o grande tamanho molecular aparente das substâncias.

No modelo apresentado por Piccolo (2002), os ácidos fúlvicos são associações de pequenas moléculas hidrofílicas dispersas em solução devido à repulsão eletrostática das cargas negativas provenientes da dissociação dos grupos ácidos, como os carboxílicos, a qualquer valor de pH. O modelo descreve que os ácidos húmicos são constituídos por associações de estruturas predominantemente hidrofóbicas (cadeias polimetilênicas, ácidos graxos e esteróides), que são estabilizadas em pH neutro por forças dispersivas hidrofóbicas (van der Waals, p-p, e ligações CH- p)(PICCOLO, 2002).

Simpson et al. (2002) reforçam o modelo supramolecular proposto por Piccolo (2002), demonstrando que SH extraídas dos solos são uma mistura de substâncias de baixo peso molecular (em torno de 2000 Da) e propuseram um esquema de estrutura apresentado na figura 5.

Figura 5: Esquema de estrutura das substâncias húmicas proposto por Simpson et al. (2002). As unidades vermelhas representam os cátions metálicos, as unidades pretas os polissacarídeos, as unidades azuis os polipeptídios, as unidades

verdes as cadeias alifáticas e as unidades marrons os fragmentos aromáticos provenientes da lignina

Fonte: Simpson et al., 2002

Porém, um modelo aceito por toda a comunidade científica para a estrutura das SH ainda encontra-se indefinido, de modo que para tanto novos procedimentos analíticos encontram-se em desenvolvimento, visando a obtenção de resultados mais contundentes para suportar as hipóteses propostas. Enquanto isso, a compreensão sobre a dinâmica destas substâncias nos ecossistemas é realizada devido a sua participação na dinâmica geoquímica dos ambientes. Elas desempenham papel importante nos processos geoquímicos do ambiente por diferentes razões, como, por exemplo, atuando em propriedades químicas e físicas, influenciando na biodisponibilidade de metais do solo para plantas e/ou organismos e na toxicidade de alguns metais e no transporte, no acúmulo e na concentração de espécies metálicas; dependendo das condições do meio, possuem características óxido-redutoras e influenciam no mecanismo de sorção no solo de gases orgânicos e inorgânicos presentes na atmosfera, entre outras funções.

1.2.4.2. Interação das substâncias húmicas com metais

Uma das propriedades das SH é de interagir com os íons metálicos presentes nos solos, nas águas e nos sedimentos (Fe, Mn, Cu, Zn, Al, entre outros), formando complexos organometálicos e/ou quelatos de diferentes estabilidades e características estruturais (Senesi et al.,1996). Essa interação se dá com inúmeros grupos funcionais que possuem oxigênio, principalmente os grupos carboxílicos e fenólicos, que formam interações eletrostáticas na superfície das macromoléculas (BENEDETTI et al., 1996; MARINSKY; REDDY, 1984; TIPPING; HURLEY, 1992), o que lhes

confere a habilidade de formar complexos com os cátions metálicos (SENESI; SPOSITO; MARTIN, 1986; STEVENSON, 1994), cuja estabilidade das espécies é determinada por uma série de fatores, incluindo o número de átomos que forma a ligação com o metal, a natureza e a concentração de íon metálico, a concentração das SH, o pH, o tempo de complexação, entre outros. O material húmico também possui a habilidade de aderir partículas minerais, produzindo agregados com aumento significativo em sua adsorção ou na capacidade de complexação (STEVENSON, 1994).