Απομόνωση και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός χουμικών και φουλβικών οξέων από ελληνικά εδάφη-λιγνίτες-compost

Abstract

In this PhD thesis, humic and fulvic acids were isolated originating from soils, lignites and composts, thus contributing to the international database of humic substances. Physicochemical characterization protocols were developed and new ones were established. An experimental procedure was found to define the pΚ2 constant, using fluorescence spectroscopy. The humification procedure was studied and humic acid fractionation was carried out, to reveal the humic acid molecule structure. Finally, a synthetic humic acid was produced. In particular, the main results of this PhD thesis are: Lignite humic acid differs from soil humic acid. Lignite humic acids: (a) Bear more charge and more free radicals than soil humic acid. (b) They are more aromatic molecules, of supramolecular structure that bind together with metals, π-π and hydrogen bonds. (c) They are at the final stage of humification. Soil humic acids, like those of composts, are humic acid molecules at an early stage of humification, of macromolecular structure, bound together with smaller organic molecules and protein parts, with metals and free radical reactions. The molecular weight of lignite humic acids (5000Da) is smaller than the one of soil humic acids (15000Da). Soil humic acids most likely derive from humification of lignin and tannins, while lignite humic acids derive from humification of tannins and terpenoids. Fulvic acids contain a large amount of carboxylic groups, significant electrostatic charge, almost no free radicals, are of small molecular weight (2000Da) and they have aliphatic molecules of macromolecular structure. They are a small fractions of the soil organic matter and under specific conditions they esterify with humic acid, being one of the humic acid’s fractions. Humification is based on free radical reactions. The elements that affect humification are time, oxygen, depth, bedrock, vegetation and microorganisms. The main factor is the reaction time. Humic acids owe their properties to their ternary structure, not only to their fractions, since the sum of the fractions’ properties doesn’t cope with the properties of the initial humic acid. The free radicals that are found in humic acids are of phenolic type. Assuming that humification proceeds through phenol acid polymerization via free radical reactions, oxidative co-polymerization of gallic and protocatechuic acid was carried out, that gave polymer (HALP) which mimics fundamental physicochemical and spectroscopic properties of natural humic acids. The synthesis of HALP was carried out without the use of catalyst. We conclude that, lignite humic acids can be used as an international standard for humic acid at the final stage of humification, while the synthetic humic acid (HALP) can be used as a reference molecule, because it has no admixtures and for the preparation of hybrid materials.

Στην παρούσα διατριβή απομονώθηκαν χουμικά και φουλβικά οξέα από εδάφη, λιγνίτες και κόμποστ, συμβάλλοντας στην διεθνή βάση δεδομένων των χουμικών ουσιών. Τροποποιήθηκαν πρωτόκολλα φυσικοχημικού χαρακτηρισμού των υλικών αυτών και παρασκευάστηκαν νέα πρωτόκολλα. Βρέθηκε πειραματική μέθοδος προσδιορισμού της σταθεράς pΚ2 με τη χρήση φασματοσκοπίας φθορισμού. Πραγματοποιήθηκε μελέτη της διαδικασίας της χουμοποίησης και κλασματοποίηση χουμικών οξέων με σκοπό την εύρεση της δομής των μορίων. Τέλος, παρασκευάστηκε συνθετικό χουμικό οξύ. Αναλυτικότερα, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, διαπιστώσαμε ότι: Τα χουμικά οξέα των λιγνιτών διαφέρουν από αυτά των εδαφών. Τα χουμικά οξέα των λιγνιτών: (α) Φέρουν περισσότερο φορτίο και περισσότερες ελεύθερες ρίζες από τα χουμικά οξέα των εδαφών. (β) Είναι περισσότερο αρωματικά μόρια, υπερμοριακής δομής που συνδέονται μεταξύ τους με μέταλλα και δεσμούς π-π και υδρογόνου. (γ) Αποτελούν το τελικό στάδιο της χουμοποίησης. Τα χουμικά οξέα των εδαφών, όπως και αυτά των κόμποστ, είναι μόρια χουμικού οξέος σε πρώιμο στάδιο χουμοποίησης, μακρομοριακής δομής, αναμεμιγμένα με μικρότερα οργανικά μόρια και πρωτεϊνικά τμήματα, συνδεδεμένα μεταξύ τους με μέταλλα και με πολυμερισμό από αντιδράσεις ελευθέρων ριζών. Το μοριακό βάρος των χουμικών οξέων των λιγνιτών (5000Da) είναι μικρότερο από το μοριακό βάρος των χουμικών οξέων των εδαφών (15000Da). Τα χουμικά οξέα του εδάφους προήλθαν από χουμοποίηση λιγνίνης και τανίνης, ενώ αυτά των λιγνιτών από τανίνη και τερπενοειδή. Τα φουλβικά οξέα περιέχουν μεγάλο ποσοστό καρβοξυλικών ομάδων, μεγάλο φορτίο, σχεδόν καθόλου ελεύθερες ρίζες, έχουν μικρό μοριακό βάρος (2000Da) και είναι μακρομοριακής δομής, αλειφατικά μόρια. Αποτελούν μικρό τμήμα της οργανικής ύλης του εδάφους και υπό συνθήκες, εστεροποιούνται μαζί με μόρια χουμικού οξέος, αποτελώντας κλάσμα τους. Η χουμοποίηση βασίζεται σε αντιδράσεις ελευθέρων ριζών. Οι παράγοντες που την επηρεάζουν είναι (α) ο χρόνος, (β) το οξυγόνο, (γ) το γεωλογικό βάθος, (δ) το μητρικό υλικό, (ε) η βλάστηση και (στ) οι μικροοργανισμοί του εδάφους. Ο κυριότερος, όμως, παράγοντας είναι ο χρόνος. Τα χουμικά οξέα οφείλουν τις ιδιότητές τους στην ολική τριτοταγή δομή τους και όχι μόνο στα επί μέρους συστατικά τους, καθώς το άθροισμα των ιδιοτήτων των κλασμάτων του μορίου του χουμικού οξέος δεν αναπαραγάγει τις ιδιότητές του. Οι ελεύθερες ρίζες που απαντώνται στα χουμικά οξέα είναι φαινολικού τύπου. Θεωρώντας ότι η χουμοποίηση οφείλεται σε πολυμερισμό φαινολικών οξέων εξαιτίας αντιδράσεων ελευθέρων ριζών, πραγματοποιήθηκε οξειδωτικός συμπολυμερισμός γαλλικού και πρωτοκατεχοϊκού οξέος, ο οποίος έδωσε πολυμερές (HALP) που μιμείται θεμελιώδεις φυσικοχημικές και φασματοσκοπικές ιδιότητες των φυσικών χουμικών οξέων. Η σύνθεσή του έγινε δίχως την χρήση καταλύτη. Συμπεραίνουμε ότι, τα χουμικά οξέα των λιγνιτών μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διεθνές πρότυπο χουμικού οξέος σε τελικό στάδιο χουμοποίησης και το συνθετικό χουμικό οξύ (HALP) μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο ως μόριο αναφοράς, αφού δεν περιέχει προσμίξεις, όσο και για την παρασκευή υβριδικών υλικών.