Połączenia substancji próchnicznych z mineralną częścią gleby

Gleba zwiera tylko niewielką część substancji organicznych występujących w stanie
wolnym. Związki próchniczne są przeważnie związane z mineralną częścią masy glebowej w postaci połączeń organiczno-mineralnych, wśród których wyróżnia się następujące grupy:
  1. sole niskomolekularnych kwasów organicznych (octany, szczawiany i inne),
  2. sole swoistych substancji próchnicznych z kationami alkalicznymi i pierwiastkami ziem alkalicznych - humiany i fulwiany,
  3. humusowe związki kompleksowe i wewnątrzkompleksowe (chelaty),
  4. adsorpcyjne związki organiczno-ilaste.

Sole niskomolekularnych kwasów organicznych

Sole niskocząsteczkowych kwasów organicznych tworzą się przez działanie kwasów
organicznych (octowego, szczawiowego, mlekowego, fumarowego i innych) na minerały (kalcyt, magnezyt, syderyt i inne) oraz na sole kwasów mineralnych głównie potasowe, wapniowe i fosforowe kwasów mineralnych.

Sole kwasów huminowych i fulwowych

Humiany i fulwiany są związkami najbardziej charakterystycznymi dla gleb. Tworzą się
one w wyniku oddziaływania kwasów humusowych na rozpuszczalne sole alkaliczne lub obojętne sole pierwiastków alkalicznych albo ziem alkalicznych, wskutek podstawienia wodoru w grupach funkcyjnych (głównie COOH i OH) przez kationy Ca2+, Mg2+, Na+ i K+. Humiany i fulwiany występują w glebach najczęściej jako mieszanina z wodorotlenkami żelaza i glinu.

Związki wewnątrzkompleksowe (chelaty) i kompleksowe związki próchniczne.

Cząsteczka związku kompleksowego składa się z atomu centralnego (na ogół metalu)
połączonego wiązaniem koordynacyjnym z grupą atomów lub cząsteczek określonych mianem ligandów. Do najbardziej interesujących związków kompleksowych należą chelaty wykazujące budowę pierścieniową.
Chelat jest utworzony przez kilka wiązań koordynacyjnych między wolnymi parami elektronów ligandu i wolnymi wartościowościami metalu.
Rolę ligandów spełniają w glebie proste związki organiczne oraz grupy czynne związków
próchnicznych.
Grupy te można następująco uszeregować według malejącej zdolności do chelatowania:
-O->-NH2>-N=N->=N>-COO->-O->C=O
enolowaaminowaazowapierścień Nkarboksylowaeterowakarbonylowa

Podobnego uszeregowania można dokonać w grupie metali, posiadających wolne wartościowości:

Fe3+>Cu2+>Ni2+>Co2+>Zn2+>Fe2+>Mn2+

Zdolność do wytwarzaania związków kompleksowych przez kwasy huminowe i fulwowe
jest spowodowana głównie obecnością grup funkcyjnych zawierających tlen (karboksylowa, fenolowa i karbonylowa).
Związki próchniczne tworzą z jonami metali rozpuszczalne i nierozpuszczalne związki
kompleksowe.
Kompleksowe, a w szczególności wewnątrzkompleksowe związki substancji próchnicznych z metalami biorą udział zarówno w procesach wietrzenia, jak i w dalszych procesach, zachodzących w następnych stadiach rozwojowych gleb, a zwłaszcza w procesie bielicowania.

Adsorpcyjne związki organiczno-ilaste

Wzajemne oddziaływanie związków organicznych z frakcją ilastą powoduje różnorodne
skutki, które wpływają z kolei na fizyczne, chemiczne i biologiczne właściwości gleby. Frakcja ilasta wpływa stabilizująco na substancję organiczną i z tego względu istnieje wysoka korelacja między zawartością substancji organicznej a ilością frakcji ilastej w glebach.

Związki próchniczne są adsorbowane przez minerały ilaste poprzez:

Siły van der Waalsa

Siły van der Waalsa występują między wszystkimi cząsteczkami, ale są raczej słabe.
Powstają one wskutek fluktuacji w zagęszczeniu ładunków elektrycznych w poszczególnych atomach. Fluktuacje ładunków dodatnich w jednym atomie powodują fluktuacje ładunków przeciwnych w sąsiednim atomie. W rezultacie następuje oddziaływanie na zasadzie przyciągania się różnoimiennych ładunków.

Adsorpcja poprzez mostki kationowe

Adsorpcja kwasów huminowych i fulwowych przez minerały ilaste występuje wtedy gdy
obecne są wielowartościowe kationy. Kationy wielowartościowe, w przeciwieństwie do kationów jednowartościowych, są zdolne do utworzenia wiązań z ładunkami występującymi na powierzchni minerałów oraz grupami funkcyjnymi związków próchnicznych np. COO-. Głównymi kationami, które mogą tworzyć takie wiązania (mostki) są: Ca2+, Fe3+ i Al3+. Kation Ca2+, w przeciwieństwie do jonów Fe3+ i Al3+ nie tworzy silnych wiązań.
Dla związków długołańcuchowych wiązania takie mogą wystąpić w kilku miejscach. (Stevenson 1982)

Wiązania wodorowe

Tego typu wiązania tworzą się poprzez jony wodoru H+ występujące w polarnych grupach
związków próchnicznych (COOH, NH2, OH), które łączą się z atomami tlenu z siatki krystalicznej minerału ilastego. Siła pojedynczego wiązania jest niewielka, ale jeśli jest dużo takich wiązań to łączna ich siła jest znaczna.
Silne wyschnięcie gleby lub zużycie przez rośliny dostępnej wody, powoduje wzrost siły tych wiązań i silniejsze przyciągnięcie związków organicznych do minerałów.

Adsorpcja poprzez wiązania z uwodnionymi tlenkami żelaza i glinu

W wielu glebach, uwodnione tlenki żelaza i glinu pokrywają powierzchnię minerałów
ilastych i to one odpowiadają za adsorpcję związków próchnicznych, a nie minerały. Związki próchniczne mogą być połączone z tlenkami poprzez proste siły kulombowskie. Związek próchniczny przyłączony w ten sposób może być łatwo usunięty poprzez zwiększenie pH lub potraktowanie solami NaCl lub NH4Cl.
Drugi mechanizm połączenia związków próchnicznych z tlenkami Fe i Al polega na tym,
że grupa anionowa związku organicznego wnika w wierzchnią warstwę tlenku i tworzy wiązanie.
Połączenie tego typu, w przeciwieństwie do poprzedniego jest bardziej trwałe , ale tylko w niższym zakresie pH.

Adsorpcja w przestrzenie międzypakietowe minerałów ilastych

Adsorpcja protein i kationów w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych
znana jest od dawna. Natomiast co do adsorpcji kwasów humusowych istniały poważne obiekcje. Wnikanie kwasów fulwowych w przestrzenie międzypakietowe montmorylonitu zostało udokumentowane przez Schnitzera i Kodama (1967) oraz Thenga (1976). Adsorpcja taka zachodzi przy pH < 5.5. Kwasy huminowe natomiast są zbyt duże aby wnikać w przestrzenie międzypakietowe.

Powrót do strony głównej