شناخت مواد هیومیکی

کلمه هوموس از کلمه لاتین به معنی خاک گرفته شده است که به موجودات زنده در خاک اشاره دارد.  هوموس یک ماده آلی سیاه رنگ است که در لایه سطحی خاک یافت می شود که در اثر فعالیت میکروب های خاک مانند باکتری ها و قارچ ها ایجاد می شود که مواد حیوانی و گیاهی را به ذرات معدنی کوچکتر تقسیم می کنند که می تواند برای رشد گیاهان نیز استفاده شود. این بخشی جدایی ناپذیر از چرخه زندگی بیولوژیکی خاک حاصلخیز است. هوموس دارای محتوای کربن بالایی است و به دلیل دارا بودن اسید هیومیک معمولاً اسیدی است. ظرفیت ذخیره آب خاک را افزایش می دهد و اسید کربنیک تولید می کند که مواد معدنی را حمل می کند. میزان هوموس صرف نظر از گروه خاک، مهمترین شاخص حاصلخیزی خاک است. محتوای هوموس؛ هم در سطح خاک و هم در کل نیمرخ خاک مهم می باشد زیرا تمام عناصر ضروری در مواد آلی وجود دارد.  هوموس آنقدر پایدار است که می تواند صدها سال در خاک ماندگاری داشته باشد. Humification تشکیل هوموس است و از روی  رنگی که در خاک ایجاد می کند حاصلخیزی خاک تعیین می گردد. خاک های با رنگ قهوه ای تا قهوه ای تیره معمولا هوموس بالایی دارند. رنگ تیره هوموس به گرم شدن خاک سرد در فصل بهار کمک می کند. هوموس نقش مهمی در حفظ موجودات زنده در خاک دارد که برای رشد سالم گیاه ضروری است.

شکل 1- جذب عناصر توسط کمپلکس هیومیک و رس

فواید هوموس:

ذخیره مواد معدنی: هوموس جامد سبب جذب مواد معدنی و جلوگیری از هدر رفت آن ها می شود.

سبب باند شدن یون ها و ذخیره شکل یونی عناصر غذایی در برابر شستشو توسط آب و جذب آن توسط گیاه می شود.

به حفظ آب 80 تا 90 درصد وزن خود کمک می کند.  بنابراین می تواند از استرس خشکی جلوگیری کند.

نقش مهمی در حفظ pH مناسب در خاک های اسیدی و قلیایی دارد.

شکل 2- فواید اسید هیومیک در خاک

ماده آلی خاک (Soil organic matter) (SOM)

باکتری ها، قارچ ها، جلبک ها، اکتینومیست ها، کرم های خاکی، نماتدها و بندپایان تنها تعدادی از موجودات زنده ای هستند که در خاک زندگی می کنند. همه در فعالیت های بیولوژیکی و میکروبیولوژیکی که منجر به تجزیه مواد گیاهی، ریشه ها، موجودات مرده و سایر بقایای آلی که در خاک تجمع می کنند، مهم هستند. مواد آلی خاک با تجزیه این مواد آلی ایجاد می شود. مواد آلی خاک دارای طیف گسترده ای از مواد شیمیایی است که از منابع جلبکی، گیاهی و میکروبی منشأ می گیرند که هر کدام دارای ساختار و مجموعه ای از خواص منحصر به فرد هستند. گروه‌های عاملی اصلی در ماده آلی خاک گروه‌های حاوی O و N هستند که الکترون اهدا می‌کنند، نیتروژن را تثبیت می‌کنند و فرآیندهای تولید مواد هیومیک (HS) را طی می‌کنند. مواد آلی خاک تنها 1 تا 5 درصد از کل توده خاک را تشکیل می دهد، اما نقش حیاتی در سلامت و حاصلخیزی خاک دارد زیرا تأثیر جدی بر ویژگی ها، بافت و عملکرد خاک دارد.

شکل 3- سهم اجزای خاک

SOM  یک جزء مهم در ایجاد و پایداری خاکدانه ها و همچنین یک ذخیره فوق العاده برای تمام مواد مغذی ضروری است. مواد آلی خاک تقریباً تمام نیتروژن موجود در خاک را جذب می کند و در بیشتر موارد آن را ایجاد می کند. جدای از آن،  SOM می‌تواند مواد خطرناکی مانند یون‌های آلومنیوم (Al) را از خاک حذف کند، سمیت خاک را کاهش داده و فواید بی‌شماری را برای گیاهان به ارمغان می‌آورد. بنابراین، خاک‌هایی با محتوای ماده آلی بالا از کیفیت و حاصلخیزی بالاتری نسبت به خاک‌هایی با محتوای ماده آلی پایین برخوردار هستند و طیف وسیعی از مزایای مثبت را برای گیاهان و محصولات از جمله بهبود شرایط ریشه‌زایی، مواد مغذی حیاتی برای رشد گیاه و افزایش ظرفیت نگه داری آب خاک را به ارمغان می‌آورند. حتی اگر خاک pH پایینی داشته باشد، اگر مقدار زیادی ماده آلی  داشته باشد، باز هم می تواند سطوح کافی از N، P  و سایر مواد مغذی را تامین کند. به طور کلی، SOM  تعدادی از فعالیت های عملی، شیمیایی و بیولوژیکی را ادغام کرده است که به شبکه تبادل کاتیونی، حفاظت از خاک، جریان آب و تهویه کمک می کند. مواد آلی خاک با حفظ خواص طبیعی و شیمیایی خاک با ترکیب مواد مغذی نقش مهمی در عملکرد اکوسیستم ایفا می کند . مواد آلی خاک توسط سه فرآیند اصلی از خاک محافظت می کند: مقاومت بیوشیمیایی، تثبیت شیمیایی و حفاظت فیزیکی.

منابع مواد آلی خاک

مواد آلی خاک منبع اصلی کربن در خاک است و می تواند خواص شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی خاک را بهبود بخشد و همچنین به عنوان منبع کربن و انرژی برای میکروارگانیسم ها عمل کند و بر انتشار گازهای گلخانه ای تأثیر بگذارد.  SOM مخلوطی از مولکول‌های گیاهان، حیوانات و میکروارگانیسم‌ها با ترکیبات مختلف، سطوح در دسترس بودن و فعالیت‌های محیطی متفاوت است. گیاهان منبع اصلی مواد آلی در خاک هستند. مواد آلی بیشتر به صورت برگ های افتاده و بخش های مرده گیاه به خاک اضافه می شود. شاخساره و ریشه درختان، درختچه ها، علف ها و سایر گیاهان بومی حجم بالایی از مواد آلی را در طول فصل فراهم می کنند. پس از عملیات برداشت، مقدار قابل توجهی از قسمت‌های گیاه زراعی در خاک باقی می‌ماند که به عنوان کانی های اولیه مواد اصلی اجزای معدنی خاک و منبع مواد آلی عمل می‌کند.

سیتوپلاسم، غشای سلولی و دیواره سلولی سه بخش یک گیاه هستند که بر اساس ترکیب شیمیایی آنها به سه دسته تقسیم می شوند. سیتوپلاسم سرشار از قندهای ساده، اسیدهای آلی، اسیدهای آمینه و آنزیم‌ها است که همگی برای ادامه فعالیت متابولیک ضروری هستند. پروتئین ها بین دو لایه لیپیدی در غشای سلولی قرار می گیرند.همی سلولزها در دیواره سلولی گیاه به وفور یافت می شوند.

سلولز، لیگنین، پروتئین ها، کوتیکول و موم ریشه همه اجزای گیاه هستند. لیگنین دومین ترکیب آلی رایج در بقایای گیاهی است. این جزء به اشکال تغذیه ای ساده تبدیل می شود و مواد آلی خاک را افزایش می دهد. حیوانات نیز به عنوان تامین کنندگان مواد آلی ثانویه در نظر گرفته می شوند. حشرات، هزارپاها، نماتدها و بندپایان از جمله موجودات خاکی هستند که در افزایش مواد آلی نقش دارند. پس از مرگ میکروارگانیسم های خاک مقدار قابل توجهی از مواد آلی را به خاک وارد می کنند. اجساد مرده موجودات خاکی توسط موجودات دیگر مورد حمله قرار می گیرند که آنها را به محصولات ساده تری تبدیل می کنند مثلا کربوهیدرات تبدیل به قند ساده و پروتئین تبدیل به اسیدهای آمینه ساده تجزیه می کند. شکر، نشاسته و پروتئین به سرعت تجزیه می شوند، در حالی که چربی، موم و رزین به آرامی تجزیه می شوند. تجزیه در درجه اول توسط میکروارگانیسم ها انجام می شود.  به دلیل توانایی آنها در ایجاد آنزیم های تخصصی و توانایی دسترسی به بسترهای جدید از طریق هیف، قارچ ها به عنوان عوامل اصلی در نظر گرفته می شوند.

ویژگی های مواد هیومیک

مواد هیومیک مخلوط پیچیده ای از مولکول های آلی حاصل از موجودات زنده هستند که از زمانی که برای اولین بار توسط گیاهان ایجاد شده اند، دستخوش تغییرات گسترده ای شده اند. مواد هیومیک که اغلب به عنوان “gelbstoff” یا “ترکیبات زرد” شناخته می شوند، محصولات نهایی تجزیه آلی در محیط های دریایی، آب شیرین و خاک هستند. مواد هیومیک را می توان به اسید هیومیک (نامحلول در pH کمتر از 2)، اسید فولویک (محلول در هر pH) و هیومین (نامحلول در آب) تقسیم کرد. ما همچنین می دانیم که ترکیبات هیومیک از تجزیه مواد گیاهی تشکیل می شوند و می توانند در خشکی یا دریا (به عنوان مثال، فیتوپلانکتون) منشأ بگیرند و منبع اصلی C و N آلی در سیستم های آبی هستند.

دسته بندی مواد هیومیکی

1. اسید فلویک

اسید فلویک اکثرا از کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده است. اسید فولویک دارای اندازه مولکولی بسیار کمتری نسبت به اسیدهای هیومیک است که اندازه مولکولی آنها از 1000 تا 10000 دالتون متغیر است. آنها در تمام محدوده های pH محلول در آب هستند. توانایی حل شدن در محدوده pH پایین تر، مثلاً کمتر از pH 7، به دلیل وجود گروه های نوع کربوکسیلیک می باشد. پلی ساکاریدها و اسیدهای چرب با وزن مولکولی کم منابع اصلی اسید فولویک هستند.

اسید فولویک نقش مستقیمی در بیوسنتز برخی اسید های آمینه و اسید های نوکلئیک دارد و بر همین اساس محققان معتقد هستند که مشتقات اسید فولویک نقش بسیار مهمی در فرایند های متابولیسمی سلولهاي زنده برعهده دارد. مهمترین نقش اسید فولویک در گیاه هدایت مواد غذایی است. اسید فولویک موجب می شود تمامی مواد غذایی مورد نیاز گیاه به راحتی توسط ریشه ها جذب گردد. این خاصیت اسید فولویک در محلول پاشی هم وجود دارد و باعث جذب بهتر کودها از طریق محلول پاشی می شود. اسید فولویک همچنین موجب تحریک متابولیسم گیاه، افزایش تقسیم سلولی و طویل شدن سلول و افزایش فعالیت آنزیم به عنوان کاتالیزور در تنفس گیاه می‌گردد. گزارش شده اسید فولویک از طریق افزایش سنتز کلروفیل موجب افزایش ظرفیت تولید می‌گردد. یکی دیگر از موارد مصرف اسید فولویک کاربرد آن در کشت های هیدروپونیک و بدون خاک است. یک مولکول اسید فولویک قادر است به تنهایی 70 عنصر شامل عناصر میکرو را با  خود حمل کند.

شکل 4- مدل ساختاری اسید فولویک

مزایای استفاده از اسید فولیک را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد:
1- افزایش رشد ریشه
2- افزایش جذب عناصر غذایی پر مصرف از جمله فسفر و نیتروژن
3- ممانعت از تثبیت فسفر در کودهای فسفره
4- افزایش جذب عناصر ریز مغذی بخصوص آهن توسط گیاه
5- افزایش سرعت فتوسنتز گیاه
6- افزایش محتوای غذایی گیاه
7- افزایش کمیت و کیفیت محصولات زراعی و باغی
8- افزایش قدرت جوانه زنی بذر
9- افزایش مقاومت گیاه به خشکی
10- افزایش فعالیت میکروارگانیسم های خاک
11- افزایش مقاومت گیاه به شوری و کم آبی
12- افزایش مواد آلی و بهبود شرایط فیزیکی خاک

13 افزایش باز شدن روزنه ها و تعرق

14- به طور مستقیم بر فرآیند های متعدد آنزیمی تأثیر مثبت می گذارد

15- اسید فولویک اندازه مولکولی بسیار ریزی دارد که مواد معدنی کلاته شده فولویک را قادر می سازد تا از دیواره های گیاهی سریع عبور کنند

2. هیومیک اسید

اسید هیومیک دارای اندازه مولکولی 10000 تا 1000000 دالتون است که از سایر مواد هیومیک بزرگتر است. رنگ آنها تیره است و از قهوه ای تا سیاه متغیر است. اسید هیومیک ترکیبی از زنجیره ها و حلقه های کربنی می باشد. در محیط اسیدی، اسید هیومیک در آب محلول نیست، اما در محلول قلیایی محلول است.

شکل 5- مدل ساختاری اسید هیومیک

شکل 6- تفاوت رنگ اسید فولویک و هیومیک

شکل 7- اجزای اسید هیومیک و تاثیرات آن ها

شکل 8- مدلی که مکانیسم ها و عملکردهای اسیدهای هیومیک (HA) را در خاک و گیاهان خلاصه می کند: A) تفکیک گروه های عاملی  اسید هیومیک. B) انتهای آبدوست گروه های جدا شده پلی بین یون های فلزی و سطح خاک تشکیل می دهند. C) اسیدهای هیومیک مواد مغذی کاتیونی را کلات می کنند و آنها را از طریق غشای پلاسمایی ریشه منتقل می کنند. D) انتهای آبدوست گروه تفکیک شده جذب کاتیونها می شود (افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی خاک). E) اسیدهای هیومیک مواد مغذی موجود در محلول خاک را ذخیره می کنند (ظرفیت بافر خاک را افزایش می دهند). F) نقش های دیگر اسید هیومیک.

3.هیومین

با توجه به اینکه مواد هیومین به شدت به کلوئیدهای معدنی خاک متصل می شود جزء نامحلول مواد هیومیک است. هیومین ها جزء مواد هیومیکی هستند که در تمام سطوح pH نامحلول هستند. کمپلکس های هومین به دلیل وزن مولکولی خود، به عنوان ترکیبات آلی درشت (بزرگ) طبقه بندی می شوند.

تفاوت ساختاری اسید هیومیک و فولویک

فولویک اسیدها به عنوان مخلوطی از اسیدهای آلی حلقوی و آلیفاتیک ضعیف هستند که در همه شرایط  (اسیدی، خنثی و بازی) در آب حل می شوند. اندازه اسید فولویک کوچکتر از اسید هیومیک می باشد. وزن مولکولی اسید فولویک بین محدوده ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ دالتون قرار می گیرد و مقدار اکسیژن اسید فولویک دو برابر اسید هیومیک می باشد. اسید فولویک دارای تعداد زیادی گروه های کربوکسیل و هیدروکسیل است بنابراین از لحاظ شیمیایی فعالتر از اسید هیومیک می باشد. خاصیت تبادلی اسید فولویک، بیشتر از دو برابر خاصیت تبادلی اسید هیومیک است. این خاصیت تبادلی بالا بدلیل وجود گروه های کربوکسیل در آن می باشد. اسید فولویک از منابع مختلفی جمع آوری می شود و آنالیز آن نشان می دهد که گروه های متوکسی در آن وجود ندارد و در مقایسه با اسید هیومیک از یک منبع یکسان، اسید فولویک مقدار فنول کمتری دارد  و کمتر حلقوی است.

شکل 9- مقایسه مواد هیومیکی

دکتر یوسف احمدی: مدیر فنی شرکت نیکان نهاده سبزگستران پارس کشاورز

منابع

Duary, S. (2020). Humic Acid-A Critical Review. Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci, 9(10), 2236-2241.

Ji, M., Xiao, L., Usman, M., Liu, C., Sang, W., Treu, L., … & Zhang, Y. (2023). Different microplastics in anaerobic paddy soils: Altering methane emissions by influencing organic matter composition and microbial metabolic pathways. Chemical Engineering Journal, 144003.

Meléndrez, M. M. (2020). Humic acid: The science of humus and how it benefits soil. Eco Farming Daily.[Online] Available from: https://www. ecofarmingdaily. com/build-soil/humus/humic-acid.