Axit humic

Axit humic là một phần quan trọng của các hợp chất humic, thường có mặt trong đất mùn, than bùn, than đá, suối núi, hồ bị loạn dưỡng và nước biển. Nó hình thành từ sự phân hủy của các chất hữu cơ chết. Đây không phải là một axit đơn lẻ mà là một hỗn hợp phức tạp của nhiều axit khác nhau, chứa các nhóm carboxyl và phenolat, có thể hoạt động như axit đibase (axit hai lần) hoặc thậm chí là axit tribase (axit ba lần). Axit humic có khả năng tạo thành các phức chất với các ion thường gặp trong môi trường, dẫn đến sự hình thành chất keo humic. Cả axit humic và axit fulvic (với trọng lượng phân tử thấp hơn và hàm lượng oxy cao hơn) thường được dùng làm phụ gia trong nông nghiệp, mặc dù axit fulvic ít được sử dụng hơn cho con người. Dưới dạng bổ sung dinh dưỡng, axit fulvic có thể có dạng lỏng như thành phần của chất keo khoáng. Axit fulvic là một điện giải đa và là chất keo duy nhất dễ dàng thấm qua màng, trong khi các chất keo khác thì không.

Đặc điểm và mô tả

Các hợp chất humic hình thành từ sự phân hủy sinh học của các chất thực vật chết, chẳng hạn như lignin, và có khả năng chống phân hủy sinh học mạnh mẽ. Tính chất và cấu trúc của một mẫu cụ thể phụ thuộc vào nguồn nước hoặc đất và các điều kiện khai thác. Tuy nhiên, những đặc tính chung của các hợp chất humic từ các nguồn khác nhau thường khá tương đồng.

Trong đất và trầm tích, các hợp chất humic có thể được phân chia thành ba loại chính: axit humic, axit fulvic và humin. Axit humic và fulvic được chiết xuất như là một sol keo từ đất và các nguồn pha rắn khác bằng dung dịch kiềm mạnh như natri hydroxide hoặc kali hydroxide. Axit humic được kết tủa từ dung dịch này bằng cách điều chỉnh pH xuống 1 bằng axit clohiđric, trong khi axit fulvic vẫn còn trong dung dịch. Đây là sự phân biệt hoạt động giữa axit humic và axit fulvic. Humin không hòa tan trong kiềm loãng. Phần hòa tan trong rượu của hợp chất humic thường được gọi là axit ulmic. 'Axit humic xám' (GHA) hòa tan trong kiềm trung gian với nồng độ ion thấp; 'axit humic nâu' (BHA) hòa tan trong kiềm mà không phụ thuộc vào nồng độ ion; và axit fulvic (FA) hòa tan không phụ thuộc vào pH và nồng độ ion.

Sắc ký lỏng và phương pháp chiết xuất lỏng-lỏng có thể được áp dụng để phân tách các thành phần của chất humic. Các thành phần đã được xác định bao gồm axit mono-, di-, và tri-hydroxy, các axit béo, axit dicarboxylic, rượu mạch thẳng, axit phenolic và terpenoit.

Đặc tính hóa học

Chất humic điển hình là một hỗn hợp đa dạng của nhiều phân tử, với một số dựa trên các khung cấu trúc thơm, được gắn thêm các nhóm phenolic và carboxylic, và liên kết với nhau. Hình minh họa thể hiện một cấu trúc điển hình của chất humic.

Các nhóm chức năng chính đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điện tích bề mặt và hoạt tính của chất humic là nhóm phenolic và carboxylic. Axit humic thường hoạt động như các hỗn hợp axit hai base, với giá trị pK₁ khoảng 4 cho nhóm carboxyl và khoảng 8 cho nhóm phenolat. Các axit humic riêng biệt có sự tương đồng đáng kể, và giá trị pK đo được của một mẫu thường phản ánh giá trị trung bình của các hợp thành. Một yếu tố quan trọng khác là mật độ điện tích. Các phân tử có thể hình thành cấu trúc siêu phân tử thông qua các lực phi cộng hóa trị như lực Van der Waals, lực π-π, và liên kết CH-π.

Sự có mặt của các nhóm carboxylat và phenolat cho phép axit humic tạo thành các phức chất với các ion như Mg, Ca, và Fe. Nhiều axit humic chứa hai hoặc nhiều nhóm này, sắp xếp theo cách cho phép hình thành các phức chelat. Quá trình hình thành phức chelat là yếu tố quan trọng trong việc điều chỉnh sự sinh khả dụng của các ion kim loại, góp phần vào vai trò sinh học của axit humic.

Xác định axit humic trong các mẫu nước

Sự hiện diện của axit humic trong nước sử dụng cho sinh hoạt hoặc công nghiệp có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng xử lý nước và hiệu quả của quá trình khử trùng hóa chất. Do đó, việc xác định chính xác nồng độ axit humic là rất quan trọng để duy trì nguồn cung cấp nước, đặc biệt từ các lưu vực than bùn ở vùng ôn đới.

Vì có nhiều loại phân tử hữu cơ sinh học khác nhau và chúng kết hợp với nhau theo nhiều cách trong môi trường tự nhiên, việc đo chính xác nồng độ của chúng trong các siêu cấu trúc humic là rất khó khăn. Do đó, nồng độ axit humic thường được ước lượng từ nồng độ các chất hữu cơ tổng (thường là từ hàm lượng cacbon hữu cơ tổng hoặc cacbon hữu cơ hòa tan).

Quá trình chiết xuất chắc chắn làm thay đổi một số liên kết hóa học trong các chất humic đất, chủ yếu là các liên kết este trong các polyester sinh học như cutin và suberin. Các chất chiết xuất từ humic vẫn chứa nhiều phân tử hữu cơ sinh học khác nhau, chưa được tách rời và xác định hoàn toàn. Tuy nhiên, các lớp phân tử sinh học còn lại đã được xác định qua chiết xuất chọn lọc và phân đoạn hóa học, bao gồm axit alkanoic, axit hydroxy alkanoic, nhựa, sáp, bã lignin, đường, và peptit.

Tác động sinh thái

Việc sử dụng chất hữu cơ để cải tạo đất đã được nông dân áp dụng từ lâu trước khi có các ghi chép lịch sử. Tuy nhiên, việc hiểu về hóa học và chức năng của chất hữu cơ đã là một vấn đề gây tranh cãi từ thế kỷ 18. Trước thời Liebig, người ta tin rằng cây cối sử dụng trực tiếp mùn, nhưng sau khi Liebig chứng minh rằng sự phát triển của thực vật phụ thuộc vào các hợp chất vô cơ, nhiều nhà khoa học đất bắt đầu nghĩ rằng chất hữu cơ chỉ có giá trị khi được phân giải thành các thành phần dinh dưỡng vô cơ. Hiện nay, các nhà khoa học đất đã có cái nhìn toàn diện hơn, thừa nhận rằng mùn ảnh hưởng đến độ màu mỡ của đất bằng cách cải thiện khả năng giữ nước của đất. Hơn nữa, do thực vật có khả năng hấp thụ và di chuyển các phân tử hữu cơ phức tạp từ thuốc trừ sâu qua rễ, điều này củng cố quan điểm rằng thực vật có thể hấp thụ các dạng mùn hòa tan, một yếu tố quan trọng cho sự hấp thu các oxit sắt không hòa tan.

Một nghiên cứu tại Đại học bang Ohio về ảnh hưởng của axit humic đến sự phát triển của thực vật đã chỉ ra rằng axit humic có tác dụng tích cực trong việc thúc đẩy sự phát triển của thực vật, với các phản ứng đáng kể ngay cả khi áp dụng ở mức thấp.

Xây dựng thời cổ đại

Ở Ai Cập cổ đại, khảo cổ học cho thấy rơm được trộn với bùn để sản xuất gạch xây dựng. Rơm giúp làm cho gạch bền hơn, ít bị vỡ hoặc mất hình dạng. Các nghiên cứu hiện đại đã phát hiện ra rằng axit humic được giải phóng khi rơm rạ được trộn với bùn, vốn là hỗn hợp của cát và đất sét. Axit humic cải thiện độ dẻo của đất sét.