Photolyse et Déformation des Substances Humiques sous l'Influence de la Lumière, de l'Humidité et de la Température
L'effet positif, et dans certains cas négatif, des substances humiques, y compris les préparations humiques, sur les conditions de nutrition et le développement des plantes a été établi par de nombreux chercheurs. La nature du phénomène et le mécanisme d'interaction des acides humiques avec les plantes sont discutables, mais indépendamment de cela, la question suivante revêt une importance fondamentale : pourquoi des doses relativement faibles d'engrais humiques peuvent-elles être efficaces sur des sols contenant des quantités nettement plus importantes des mêmes substances.
Une réponse générale à cette question est fournie par analogie avec le concept de disponibilité des éléments nutritifs minéraux et de l'azote pour les plantes. Appliqué aux acides humiques, ce concept est beaucoup plus large et comprend évidemment :
- leur mobilité (solubilité) dans les sols ;
- l'interaction avec les composants minéraux ;
- la taille et la configuration des molécules ;
- la qualité des molécules elles-mêmes : teneur en groupes fonctionnels, centres paramagnétiques, etc.
Par conséquent, en caractérisant l'action physiologique des substances humiques, il est plus correct de parler non pas de disponibilité, mais de leur **activité** ou des composants actifs de l'humus.
L'une des raisons de l'activité accrue des préparations humiques, par rapport aux acides humiques natifs des sols, réside, à notre avis, dans les changements qui se produisent en elles lors de la préparation. Outre la destruction des liaisons organo-minérales, l'action des solutions alcalines et d'autres facteurs peut provoquer :
- l'hydrolyse des acides humiques, leur oxydation ;
- la modification de la nature de la distribution du poids moléculaire des particules ;
- un changement de la configuration et de la conformation des molécules.
De tels phénomènes, qui ne modifient pas l'appartenance des composés à la classe des acides humiques, mais qui affectent les détails de la structure, peuvent être regroupés sous le terme de « **dénaturation** », en l'entendant dans un sens plus large que dans la chimie des protéines. Nous avons étudié certains des processus de dénaturation des acides humiques qui se produisent sous l'influence de leur séchage, chauffage et éclairage.
Déformation des Molécules d'Acides Humiques sous l'Influence de l'Humidité et du Séchage
Les différences de configuration des molécules d'humates et d'acides humiques à l'état humide (dissous) et à l'état sec sont clairement visibles lors de la mesure des densités relatives. La diminution des volumes molaires des protéines lors de la dissolution dans l'eau est bien connue. Les acides humiques secs sont pratiquement insolubles dans l'eau, nous avons donc mesuré leur densité d'abord dans l'eau (« préparation sèche »), puis dans des solutions faibles de KOH.
Dans les solutions diluées de KOH, les volumes spécifiques des acides humiques diminuent, et les densités augmentent, avec l'augmentation de la concentration d'alcali (Fig. 1). Avec une nouvelle augmentation de la concentration d'alcali, lorsque pratiquement tous les groupes carboxyle et tous ou la plupart des groupes phénoliques sont complètement neutralisés, la densité diminue, atteignant des valeurs inférieures à celles de l'état sec.
Un tel changement de densité peut s'expliquer par le fait que les préparations sèches d'acides humiques sont peu hydrophiles, et l'introduction d'une petite quantité d'alcali modifie radicalement l'état de la substance. L'apparition de charges négatives due à la formation d'ions carboxylates provoque la dissolution d'une partie de la préparation. Les molécules d'eau s'orientent et se compactent près des groupes ionogènes, ce qui entraîne une diminution apparente du volume spécifique ; la valeur de densité mesurée augmente. La liaison de l'eau est confirmée par le degré d'hydratation des humates, qui, selon les données viscosimétriques, est d'au moins 1,2 à 2,5 g d'eau par 1 g d'acide humique.
Lors de la neutralisation ultérieure des groupes carboxyle, un grand nombre de charges négatives apparaît ; leur répulsion mutuelle contribue au redressement des chaînes moléculaires et la substance tend à occuper un volume plus grand qu'à l'état sec. Un phénomène similaire est connu pour l'ARN, dont la molécule acquiert une structure rigide de « bâton » sous l'action de la répulsion électrostatique des groupes ionisés voisins. Conformément à ces idées, l'empilement des acides humiques et le degré d'orientation des molécules ne peuvent pas être les mêmes à l'état sec et dans le gel. Dans les gels (préparations « gonflées »), les molécules d'acides humiques doivent se disposer de manière plus ordonnée que dans les préparations sèches.
Pour vérifier cette dernière hypothèse, nous avons obtenu des diffractogrammes de gels de certains acides humiques, puis des diffractogrammes des mêmes échantillons après les avoir séchés à l'air. Les préparations sèches d'acides humiques n'ont pas de réflexions nettes ; l'image de diffraction est floue, l'intensité des réflexions est faible : son maximum se situe dans la région de 3,5–3,7 Å (Fig. 2).
Les intensités des réflexions dans les gels augmentent brusquement, et les diffractogrammes diffèrent légèrement des préparations sèches par le caractère de la distribution des intensités de réflexion (Fig. 2). L'augmentation des intensités des réflexions est sans aucun doute due à un plus grand ordre dans la disposition des molécules. La polydispersité et la déformation des molécules entravent l'ordre à l'état sec. Le maximum d'intensité se décale de 3,5–3,7 Å à 3,3–3,1 Å, ce qui suggère une plus grande déformabilité des éléments structuraux avec des périodes de répétition plus grandes.
D'autres données indiquent également la déformabilité des molécules d'acides humiques. Typiquement, les clichés de microscopie électronique témoignent d'une forme arrondie des particules d'acides humiques. Cependant, les déterminations viscosimétriques indiquent une conformation ellipsoïdale des particules avec un rapport des axes de 1:6. Il est probable que, lors du passage des solutions d'humates utilisées en viscosimétrie aux précipités secs (microscopie électronique), la déformation des molécules entraîne un changement de la forme des particules (ou associés) d'allongée à arrondie.
Des clichés de la surface des préparations sèches, obtenus à l'aide d'un microscope à balayage (Fig. 3, 4), peuvent servir de confirmation supplémentaire de la déformation des acides humiques et fulviques lors du séchage. La structure en couches des particules est clairement visible sur les clichés. Des fissures et des fractures profondes indiquent une déformation significative des molécules de matière organique lors du séchage.
Les résultats obtenus permettent de supposer que les acides humiques nouvellement formés dont les molécules sont les plus redressées possèdent l'activité maximale dans les sols. Ils sont plus mobiles, réagissent énergiquement avec les composants minéraux et organiques et participent à la formation de la structure. Le vieillissement des acides humiques, qui se produit à la suite du séchage, s'accompagne de :
- la déformation des molécules ;
- la perte de solubilité ;
- le blocage intramoléculaire d'une partie des groupes fonctionnels.
Tout cela conduit à une diminution de leur effet sur les plantes.
Photolyse et Changement de la Composition en Poids Moléculaire sous l'Action de la Lumière
La lumière a un effet différent sur les solutions d'acides humiques. Dans nos expériences, nous avons utilisé le rayonnement des lampes à mercure-quartz BUV—15 (rayonnement monochromatique avec une longueur d'onde de 2537 Å) et PRK—7 (spectre d'émission discret dans la région de 312–611 nm). Les solutions d'acides humiques, placées dans des cuvettes de quartz cylindriques hermétiquement fermées, ont été soumises à l'action de la lumière. Les solvants utilisés étaient des solutions 0,1 N et 0,01 N de soude caustique et de l'eau distillée. L'effet de la lumière a été contrôlé par des spectres d'absorption électronique.
Dans toutes les variantes d'expériences, une chute significative de la densité optique a été observée après seulement 10–15 minutes d'irradiation continue, et après 15–25 heures, dans un certain nombre de cas, les solutions étaient pratiquement entièrement décolorées (Fig. 4). Le caractère des spectres n'a presque pas changé (Fig. 5), seule une modification de la pente des courbes d'absorption a été notée.
Pendant les expériences, la température a été contrôlée :
- Lors de l'irradiation des solutions avec la lumière ultraviolette de la lampe BUV-15, aucun changement de température n'a été noté.
- Dans les expériences avec la lampe PRK—7, qui émet un fort rayonnement thermique, la température des solutions montait à 40–50°C.
Un tel chauffage n'a que légèrement affecté l'intensité de la coloration, ce qui est confirmé par des expériences où des solutions d'humates de sodium ont été chauffées pendant 4 heures dans un ultrathermostat à des températures allant de 25° à 95°C (Tableau 1). Des températures élevées réduisaient les densités optiques des solutions, mais pas au point de pouvoir attribuer à cet effet la perte d'intensité de la coloration lors de l'irradiation.
| Température, °С | Humates de sodium, рН 12—13 | Acides fulviques | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| échantillon 1 | échantillon 2 | échantillon 3 | échantillon 3; рН 12 | échantillon 3; рН 2,5 | échantillon 2; рН 2,5 | |
| 20 | 0,351 | 4 0,572 | 0,765 | 0,510 | 0,294 | 0,214 |
| 40 | 0,340 | 0,560 | 0,750 | 0,508 | 0,306 | 0,216 |
| 60 | 0,334 | 0,560 | 0,741 | 0,489 | 0,380 | 0,218 |
| 80 | 0,327 | 0,548 | 0,725 | 0,482 | 0,398 | 0,238 |
| 95 | 0,316 | 0,508 | 0,737 | 0,466 | 0,408 | 0,253 |
Échantillon 1 — préparation d'acide humique Merck ; échantillon 2 — sol sod-podzolique fortement lessivé de la région de Moscou, hor. Ar ; échantillon 3 — chernozem lixivié (de montagne), hor.
L'utilisation du rayonnement ultraviolet ne permet pas d'exclure la possibilité d'oxydation des molécules humiques sous l'influence de l'ozone produit. Pour éliminer cette objection, nous avons mené une série d'expériences en irradiant une solution aqueuse d'acide fulvique et d'humate de sodium avec une lampe PRK—7, qui émet un rayonnement dans les régions visible et proche ultraviolet. Il ressort de la figure 6 que pour des doses égales d'énergie absorbée, la densité optique des substances humiques change de manière identique sous l'action du rayonnement de toute longueur d'onde étudiée.
Les expériences confirment que l'action de l'ozone, tout comme le chauffage, ne peut être qu'un facteur accessoire, d'autant plus que l'ozone n'est formé que sous l'action d'un rayonnement de longueur d'onde inférieure à 280 nm. Le rayonnement dans la région de 300–330 nm favorise la destruction de l'ozone, sa conversion en oxygène moléculaire.
La principale cause du changement des caractéristiques optiques des substances humiques lors de l'irradiation est la **réaction de photolyse, la destruction photochimique**. La décoloration des solutions de substances humiques lors de l'irradiation s'accompagne, comme le montrent nos expériences, d'un changement de la distribution du poids moléculaire des particules (Fig. 7).
Les courbes de filtration sur gel des humates de sodium sur Séphadex présentent deux maxima : A (fraction de haut poids moléculaire) et B (fraction de faible poids moléculaire). Après irradiation, le rendement de la fraction B augmente par rapport à A. La comparaison des courbes d'élution sur le gel indique également une diminution du poids moléculaire de l'acide humique après irradiation :
- Les maxima sur les courbes d'élution se déplacent vers des poids moléculaires plus faibles.
- Le poids moléculaire moyen en poids de la fraction de faible poids moléculaire diminue après irradiation de 13800 à 2975.
- Une nouvelle fraction C apparaît sur la courbe d'élution à travers Séphadex, avec un poids moléculaire de 15600.
La composition des substances humiques change également sous l'action de la lumière, comme l'indiquent les spectres IR (Fig. 8) :
- On observe des tendances à l'augmentation relative de l'intensité de la bande de 1620–1630 cm⁻¹ par rapport à la bande –COOH (1715 cm⁻¹).
- L'absorption dans la région de 1000–1100 cm⁻¹ et 3400 cm⁻¹ augmente également légèrement, ce qui peut être attribué aux vibrations de déformation des hydroxyles alcooliques et phénoliques.
Apparemment, l'action de la lumière conduit à des changements importants dans les substances humiques :
- la taille de leurs molécules diminue ;
- l'oxydabilité augmente en raison d'une augmentation du nombre de groupes carbonyle (éventuellement quinones), des groupes hydroxyle des alcools et des phénols ;
- la longueur des chaînes conjuguées (liaisons C=C) diminue.
Parallèlement aux processus énumérés, l'éclairage intense des acides humiques provoque une forte augmentation des **centres paramagnétiques** (radicaux libres) en eux. Dans nos expériences, la concentration en CPM après irradiation des solutions alcalines d'humates a augmenté de 0,53 à 1,5, avec une diminution concomitante des densités optiques.
Il convient de souligner que la destruction photochimique des acides humiques se produit non seulement sous l'influence de sources de rayonnement relativement puissantes. Si l'irradiation par des lampes réduit la densité optique des humates de 50–70% en 15–20 heures, le même effet est obtenu en 4–8 mois sous la lumière du jour. Les données expérimentales indiquent de manière cohérente la destruction photochimique des acides humiques, se déroulant selon le type de processus oxydatifs avec la participation de radicaux libres.
Le même processus doit inévitablement avoir lieu lors de l'extraction des substances humiques des sols par des solutions alcalines et lors de la préparation ultérieure des préparations humiques.
Ainsi, on peut supposer que lors de la préparation des préparations humiques, il se produit une **activation des substances humiques**, qui comprend :
- un changement de la conformation de leurs molécules ;
- la libération de groupes fonctionnels ;
- la décomposition partielle des fractions de poids moléculaire les plus élevées en fragments constitutifs avec un PM plus faible ;
- l'oxydation partielle avec accumulation de groupes carbonyle (éventuellement quinones) ;
- l'augmentation de la concentration en centres paramagnétiques.
Les molécules activées de cette manière ont un effet plus énergique sur le développement des plantes et leurs conditions de nutrition. Les mêmes facteurs : éclairement, température, périodicité et degré de séchage, doivent inévitablement entraîner des différences dans de nombreuses propriétés des acides humiques des types de sols zonaux.