2 SUBSTÂNCIAS HÚMICAS
2.1 Considerações Iniciais
A matéria orgânica existente em solos, turfas, sedimentos e águas naturais apresenta-se como um sistema complexo de várias substâncias de diversas naturezas e por uma transformação contínua, sob a ação de fatores físicos, químicos e biológicos.
O ataque inicial aos materiais orgânicos é promovido por formigas, cupins, oligoquetas e outros representantes da mesofauna. Em seguida, ocorrem transformações promovidas por diversos microrganismos. A fase inicial da biodegradação microbiana é caracterizada pela perda rápida dos compostos orgânicos menos recalcitrantes, como açúcares, aminoácidos, proteínas, amido e celulose, onde as bactérias são especialmente ativas. Na fase subseqüente, produtos orgânicos intermediários e protoplasma microbiano recentemente formado são biodegradados por uma variedade maior de microrganismos com produção de nova biomassa e liberação de gás carbônico. O estágio final é caracterizado pela decomposição gradual de compostos mais resistentes, exercida pela atividade de actinomicetos e fungos (Stevenson, 1994).
moleculares e grupos funcionais distintos, sendo responsáveis por inúmeros processos naturais (Stevenson, 1994).
Com base nas suas solubilidades em meio aquoso, as SH são usualmente classificadas em:
• ácidos fúlvicos (AF): fração solúvel em meios alcalino e ácido;
• ácidos húmicos (AH): fração solúvel em meio alcalino e insolúvel em meio ácido (pH < 2);
• humina: fração insolúvel em qualquer condição de pH.
Dos ácidos húmicos, pode ser extraído o ácido himatomelânico, que é a parte dos AH solúvel em álcool (Rezende, 1999).
Embora as propriedades fertilizantes das SH fossem conhecidas desde os antigos egípcios, seu estudo iniciou-se no fim do século XVIII, com o trabalho pioneiro de Achard em 1786. Achard dissolveu turfas em solventes alcalinos, obtendo uma solução escura que precipitava por ação de ácidos. Ao material solúvel em álcali e insolúvel em meio ácido, foi dado diversos nomes, até chegar a ácido húmico, utlizado atualmente (Stevenson, 1985). A Saussure é creditado a introdução do termo “húmus”, em 1804, para designar o componente escuro da matéria orgânica do solo, e a Döbereiner, em 1822, o termo “ácido húmus”. Já a origem do termo “ácido húmico” não é precisa, mas já era comum no tempo de Berzelius (1839).
As SH desempenham um papel importante no meio ambiente por diversas razões. Nos solos e sedimentos, por exemplo, elas contribuem para a retenção de calor (devido à sua coloração escura), estimulando dessa maneira a germinação de sementes e o desenvolvimento de raízes. Além disso, as SH favorecem a aeração do solo, devido aos agregados oriundos da combinação das SH com argilas, e atuam contra a erosão, pois evitam o escoamento devido à sua alta capacidade de retenção de água. Em ambientes aquáticos, as SH governam a produtividade primária, estimulando o crescimento do fitoplâncton, além de participarem de reações fotoquímicas em águas superficiais.
vários íons metálicos (Rocha e Rosa, 2003), além de adsorverem diversos poluentes orgânicos, como pesticidas (Messias, 1998), diminuindo as concentrações desses materiais no ambiente.
2.2 Origem e Formação das Substâncias Húmicas
Existem pelo menos quatro vias principais (figura 1) pelas quais as SH podem ser formadas durante a decomposição da matéria orgânica (Stevenson, 1994).
FIGURA 1 - Mecanismos de formação das substâncias húmicas (adaptado de Stevenson, 1994).
Em 1921, Fischer e Schrader postularam uma nova teoria na qual se preconizava que as SH seriam essencialmente ligninas parcialmente modificadas (via 4 da figura 1). A lignina (figura 2) é um biopolímero de estrutura complexa, formado pela combinação de unidades fenilpropanóides (álcoois coniferílico, cumárico e sinapílico) com outras subunidades, tais como éter guaiacilglicerol-β-coniferílico, álcool diidroconiferílico, pinorresinol e dibenzodioxocina.
OH OCH3 O HO O H3CO O HO HO OCH3 O O OCH3 O OH HO O OCH3 O O OH H3CO O HO O O OH OH OCH3 OCH3 O OCH3 HO HO H3CO O O OCH3 O HO HO O O H3CO OH
2.3 Estrutura Molecular das Substâncias Húmicas
O “esqueleto macromolecular” das SH tem sido, ao longo dos anos, objeto de inúmeras investigações.
Na busca de uma estrutura para essas substâncias, várias técnicas analíticas foram e têm sido extensamente utilizadas, dentre as quais destacam-se a a análise elementar, as espectroscopias nas regiões do infravermelho (FTIR) e ultravioleta-visível (UV-Vis), a ressonância magnética
nuclear de hidrogênio (1H-NMR) e de carbono 13 (13C-NMR), a pirólise
acoplada à cromatografia gasosa e à espectrometria de massas (Py-GC/MS), a cromatografia de exclusão por tamanho (SEC), a eletroforese capilar (CZE), o espalhamento de luz, entre muitas outras.
No final do século XIX, já se compreendiam as substâncias húmicas como uma mistura complexa de substâncias orgânicas com natureza principalmente coloidal e com propriedades fracamente ácidas. Também já havia informações a respeito da sua interação com outros componentes do solo.
Uma estrutura das substâncias húmicas muito popular foi proposta por Fuchs em 1931 (figura 3). Em 1948, Dragunov propôs que as SH eram constituídas de anéis aromáticos substituídos por grupos hidroxilas
e quinonas, sendo os anéis aromáticos ligados por grupos –CH2O– e –CN.
Carboidratos e peptídeos estariam ligados aos C que uniam os anéis
aromáticos e a grupos CH2 ligados diretamente aos anéis (figura 4). O
O O O OCH3 H OH OH HO HO OH COOH COOH HO COOH COOH HOOC
FIGURA 3 - Modelo de ácido húmico proposto por Fuchs, em 1931 (adaptado de Stevenson, 1985). H2 C O O O HO CH2 COOH H3CO HC O C6H11O5 H2 C N O H2 C N O HC OH H2 C HO CH2 OC HN C8H16O3N H2 C O O O O OH
FIGURA 4 - Modelo de ácido húmico proposto por Dragunov, em 1948 (adaptado de Stevenson, 1985). C3 H N COOH COOH OH OH OH H2C O Ar HO HO OH HO O O O O OCH3 CH2 O Ar HO OH HO OH O OH O
FIGURA 5 - Modelo de ácido húmico proposto por Flaig, em 1964 (adaptado de Stevenson, 1985).
estruturas lineares. Nesse modelo, mostrou-se o papel de cátions
polivalentes, como Fe2+, na associação entre substâncias húmicas e a
porção mineral do solo. O modelo proposto por Stevenson em 1982 (figura 7) mostra a presença de ligações de hidrogênio e de estruturas do tipo quinona, e indica a ocorrência de resíduos de carboidratos e proteínas.
FIGURA 6 - Modelo de ácido húmico e de associação de ácido húmico com argila e íons metálicos proposto por Kleinhempel, em 1970 (adaptado de Novotny, 2002). COOH HO OH COOH O OH HO N CH R COOH O O O H CH HC O C HC HC O O O N H2 C O O OH O OH COOH COOH O O H O O NH CH R C O NH
Pode-se observar que, até meados da década de 90, a maioria dos pesquisadores acreditava que as SH eram constituídas essencialmente de centros aromáticos policondensados com alto grau de substituição. Contudo, graças principalmente aos dados obtidos por espectroscopia de
13C-NMR, verificou-se que o grau de aromaticidade seria muito menor do
que o esperado.
O modelo de Schulten e Schnitzer de 1993 (Schulten e Schnitzer, 1993; Schulten e Schnitzer, 1997; Schulten et al., 1991) apresentou, dessa forma, uma nova concepção de modelo estrutural para essas substâncias, ao enfocar um número significativo de porções alifáticas (figura 8). OH OH O O HO O N O OH O O OH O OH OH OH O OH O O OH OCH3 O OH O OH O O OH OH OH O HO OH O HO O OH O OH O O OH O O OH O OH OH O OH OH O O OH HO O C N OH O OH O HO OH O HO OH O OH O O O O OH O HO OH OH O O OH N H O OH O OH (CH3)0-5 CH2OH (CH3)0-5 (CH3)0-2 (CH3)0-3 HO (CH3)0-2 (CH3)0-2 C N (CH3)0-3 (CH3)0-4 (CH3)0-4 (CH3)0-2 HO HO N H H O
FIGURA 8 - Modelo de ácido húmcio proposto por Schulten e Schnitzer (1993).
1993 (Schulten, 1995; Schulten e Schnitzer, 1995). Eles puderam constatar que o modelo em questão, otimizado através de cálculos matemáticos, apresentava uma série de espaços vazios de diferentes tamanhos. Esses espaços poderiam alojar outros compostos orgânicos, hidrofílicos ou hidrofóbicos, tais como carboidratos, lipídios, pesticidas e outros poluentes. Poderiam também estar presentes elementos inorgânicos como argilas e oxi-hidróxidos.
FIGURA 9 - Modelo tridimensional de ácido húmico proposto por Schulten e Schnitzer (1997), evidenciando os átomos de carbono (em azul), hidrogênio (em branco), oxigênio (em vermelho) e nitrogênio (em azul escuro); as letras A, B e C indicam os espaços vazios presentes na estrutura.
mantidos por ligações fracas como ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas.
