Propriétés des acides humiques de différents sols d'Ukraine et leur activité physiologique
Les substances humiques, malgré des traits communs de structure, ne sont pas des composés chimiquement individuels. Représentant un groupe de polymères de structure aromatique, ces substances par leur nature et leurs propriétés sont hétérogènes. Un point commun à tous les acides humiques, isolés de différents sols, est la participation de polyphénols dans leur formation. Nos scientifiques ont proposé une formule pour les acides humiques du tchernoziom, de la tourbe et du léonardite, dont la propriété commune est la présence dans leur molécule de groupes polyphénoliques et quinonoïdes.
La diversité des substances humiques se manifeste par différents degrés de condensation des noyaux aromatiques dans leurs molécules, par le rapport entre les structures aromatiques et aliphatiques, etc. Les différences dans la nature et les propriétés des acides humiques d'origine diverse se reflètent apparemment dans leur activité physiologique inégale.
Les chercheurs de plusieurs pays ont souligné la participation multiforme des substances humiques dans les processus physiologiques et biochimiques se déroulant dans les plantes. Il a été établi que les substances humiques d'origine diverse, à faible concentration, ont un impact profond et multiforme sur la plante. Cependant, les substances humiques de différents sols ne sont pas identiques. Il s'ensuit que leur action sur les plantes ne peut pas être tout à fait la même. Il est logique de supposer que la nature et le degré d'influence des acides humiques de différents sols sur l'organisme végétal sont directement liés à la composition et aux propriétés de ces acides. La présente étude est consacrée à l'examen de cette question dans le cadre des principaux types de sols d'Ukraine.
Étude de la nature et des propriétés des acides humiques
Techniques de fractionnement
En utilisant diverses techniques de fractionnement (précipitation fractionnée par des acides et des solutions tampons, ultracentrifugation, différents types de chromatographie, électrophorèse et autres), les substances humiques peuvent être divisées en plusieurs fractions. À l'aide de l'électrophorèse sur bandes de papier, l'acide humique a été séparé en deux fractions, dont la couleur correspondait aux acides humiques gris et bruns. Tous les acides humiques, selon les chercheurs, représentent un mélange de ces deux fractions avec une prédominance de l'une ou de l'autre.
Grâce aux méthodes de chromatographie sur colonnes d'amidon et sur papier, ainsi qu'à l'électrophorèse sur papier, il a été possible de séparer les acides humiques du tchernoziom et du sol sod-podzolique en trois fractions, dont l'une n'est détectée qu'à la lumière ultraviolette. Comme la séparation des acides humiques par électrophorèse sur bandes de papier ne permet pas d'obtenir une quantité suffisante de fractions individuelles, les scientifiques sont passés à la méthode d'électrophorèse continue, qui a permis de séparer l'acide humique en 10 à 15 fractions, représentant une transition des acides humiques gris aux bruns.
Lors du fractionnement des acides humiques de différents sols par chromatographie circulaire sur papier, leurs zones différaient entre elles. Pour l'acide humique du tchernoziom, les zones étaient plus compactes, tandis que pour l'acide humique du sol sod-podzolique, elles avaient un aspect diffus.
Le fractionnement des acides humiques par électrophorèse a également montré que les acides humiques du tchernoziom sont constitués de fractions peu mobiles dans un champ électrique, dont la majeure partie reste au point de départ, et seule une petite quantité se déplace vers l'anode. Les acides humiques du sol rouge et du sol sod-podzolique présentaient une mobilité accrue et une capacité de fluorescence.
Dans notre travail, l'isolement des préparations d'acides humiques à partir de différents sols a été réalisé à partir de sols préalablement décalcifiés. Pour étudier la nature et les propriétés des acides humiques, les méthodes de chromatographie circulaire et d'électrophorèse sur papier ont été utilisées.
Le fractionnement des acides humiques par chromatographie circulaire a été réalisé selon la méthode de Kononova et Belchikova, à la différence que du papier à filtration rapide a été utilisé, ce qui a permis de réduire l'exposition à deux heures. À la lumière du jour, sur les chromatogrammes de tous les acides humiques, deux zones étaient observées : la première au centre du chromatogramme, à l'endroit où le préparat était déposé, et la seconde à une certaine distance de la première, sous forme d'anneaux étroits brun clair. Les acides humiques du tchernoziom donnaient des anneaux étroits et plus compacts, ceux du sol sod-podzolique des anneaux diffus, et ceux des autres sols des anneaux intermédiaires. Sous lumière ultraviolette, les chromatogrammes apparaissaient différemment : trois zones étaient observées. Directement autour de la tache sombre, un autre anneau présentant des propriétés de fluorescence était visible, qui pour l'acide humique du tchernoziom fluoresçait en jaune-orange, pour celui du sol sod-podzolique en jaune vif avec une teinte bleutée, et les acides humiques des autres sols donnaient des anneaux fluorescents intermédiaires. L'anneau suivant, qui à la lumière du jour avait une teinte brun clair, fluoresçait sous lumière ultraviolette dans le même ordre de couleurs.
Après une heure de migration sur bandes de papier, deux zones se sont distinguées : la première, restée au point de départ, était colorée en grisâtre ; la seconde, située à une certaine distance de la première, était colorée en brunâtre. Sous lumière ultraviolette, une troisième zone présentant une capacité de fluorescence était détectée, l'acide humique du tchernoziom fluoresçant en jaune-orange, celui du sol sod-podzolique en jaune, et ceux des autres sols dans des teintes intermédiaires.
Les différences dans la distribution des substances par zones sont illustrées par les courbes enregistrées à l'aide d'un densitomètre. Pour les acides humiques du tchernoziom et du sol brun foncé, la majeure partie de la substance reste au point de départ, et seule une petite partie se déplace vers l'anode. Le déplacement le plus intense est observé sur le phorogramme de l'acide humique du sol sod-podzolique, où la majeure partie de la substance se déplace vers l'anode. L'acide humique et fulvique du sol gris podzolisé occupe une position intermédiaire.
Ainsi, le fractionnement des acides humiques par chromatographie et électrophorèse confirme l'hétérogénéité des acides humiques, le rapport entre les fractions mobiles et immobiles dans les acides humiques de différents types de sols n'étant pas identique : l'acide humique du tchernoziom contient moins de fractions mobiles, celui du sol sod-podzolique en contient davantage. La présence de certaines fractions dans la composition des substances humiques détermine leur nature — le degré de condensation du noyau aromatique, le rapport des structures aromatiques, la présence et la disposition des groupes fonctionnels, etc.
La valeur de la densité optique et le seuil de coagulation caractérisent le degré de dispersion des substances humiques et sont des indicateurs indirects de leur complexité ou de la condensation de leurs particules. La densité optique a été déterminée selon la méthode de Kononova sur un photomètre. Le seuil de coagulation a été établi en fonction de la plus petite quantité d'électrolyte (CaCl₂) nécessaire pour une coagulation complète de l'acide humique sur une période donnée. La concentration de la solution d'acide humique était de 0,136 g/l.
| Objets d'étude | Densité optique (λ=440 nm) | Quantité de CaCl₂ pour 1 g d'humate, mg-éq | ||
|---|---|---|---|---|
| Début de coagulation | Apparition du précipité après 30 minutes | Coagulation complète (après 2 et 4 heures) | ||
| Acides humiques issus de : | ||||
| Sol sod-podzolique | 1,32 | 5 | 18 | Solution au-dessus du précipité brun clair (20) |
| Sol gris podzolisé | 1,92 | 4 | 14 | Solution au-dessus du précipité brun clair (18) |
| Tchernoziom podzolisé | 2,32 | 3 | 12 | Solution au-dessus du précipité brun clair (16) |
| Tchernoziom ordinaire | 2,52 | 1 | 10 | Solution au-dessus du précipité brun clair (18) |
| Sol brun foncé | 2,08 | 2 | 13 | Solution au-dessus du précipité brun clair (20) |
| Tchernoziom sud carbonaté | 1,68 | 4 | 15 | Solution au-dessus du précipité brun clair (18) |
| Sol brun | 1,08 | 4 | 15 | Solution au-dessus du précipité brun clair (18) |
Les données du tableau 1 montrent que le degré de condensation des réseaux aromatiques d'atomes de carbone dans les acides humiques et fulviques augmente des sols sod-podzoliques aux tchernoziums, avec une diminution simultanée des chaînes aliphatiques latérales dans leurs molécules. La relation inverse de ces structures est observée pour les acides humiques lors du passage des tchernoziums aux sols bruns foncés et ensuite aux sols bruns. Cette position est confirmée par les résultats obtenus lors de la détermination du seuil de coagulation des acides humiques et fulviques. Les données du tableau indiquent une forte dispersion des acides humiques des sols sod-podzoliques et bruns, ce qui témoigne d'une teneur élevée dans leurs molécules de radicaux latéraux portant des groupes hydrophiles.
Tout cela indique qu'en passant des sols sod-podzoliques aux tchernoziums, la nature des acides humiques se complexifie : un noyau aromatique condensé se manifeste plus clairement, avec une diminution simultanée du nombre de radicaux latéraux ; le phénomène inverse est observé lors du passage des tchernoziums ordinaires aux tchernoziums sud carbonatés et aux sols bruns.
La présence de groupes fonctionnels (carboxyliques et hydroxyle phénolique) détermine les propriétés acides et la capacité d'échange des acides humiques et fulviques. La teneur totale en groupes fonctionnels des acides humiques a été déterminée selon la méthode de Dragunova, et la teneur en groupes carboxyliques selon la méthode de Kukharenko, c'est-à-dire par macération d'échantillons d'acides humiques avec une solution 0,5 N d'acétate de calcium, dont le pH est de 6,8 à 7. Les résultats des analyses sont présentés dans le tableau 2.
| Objets d'étude | Quantité totale de groupes fonctionnels, mg-éq Ba, lié à 1 g d'acide humique | Quantité de groupes carboxyliques, mg-éq Ca, lié à 1 g d'acide humique | Capacité d'échange pour 100 g de substance sèche absolue sans cendre, mg-éq |
|---|---|---|---|
| Acides humiques issus de : | |||
| Sol sod-podzolique | 5,91 | 2,89 | 289 |
| Sol gris podzolisé | 7,17 | 3,21 | 321 |
| Tchernoziom faiblement podzolisé | 7,57 | 4,05 | 405 |
| Tchernoziom ordinaire | 8,32 | 5,11 | 511 |
| Sol brun foncé | 8,22 | 4,20 | 420 |
| Tchernoziom sud carbonaté | 6,65 | 3,79 | 379 |
| Sol brun | 5,57 | 2,22 | 222 |
Les données du tableau montrent que la teneur en groupes fonctionnels capables de réactions d'échange augmente du sol sod-podzolique aux tchernoziums ; lors du passage aux sols bruns foncés et bruns, elle diminue. Toutes les différences mentionnées ci-dessus dans la composition et les propriétés des acides humiques d'origine diverse déterminent en grande partie leur rôle dans les processus pédologiques, ainsi que leur influence sur l'organisme végétal.
Activité physiologique des acides humiques de différents sols d'Ukraine
Les sels solubles des acides humiques avec des métaux monovalents sont assimilés par les plantes et provoquent un certain effet physiologique, stimulant la croissance, principalement du système racinaire, puis de la masse aérienne. L'influence des acides humiques se manifeste le plus fortement dans la période initiale de développement des plantes. Nos scientifiques estiment que l'activité physiologique des acides humiques est directement liée à une certaine structure de leur molécule et, surtout, à la présence de groupes quinonoïdes et polyphénoliques.
L'activité physiologique des acides humiques a été déterminée par des expériences avec de l'orge sur un mélange appauvri de Prianichnikov, duquel le calcium et le fer ont été exclus, car ils coagulent l'acide humique et le transforment en un état physiologiquement inactif. Comme les expériences étaient de courte durée, on supposait que la réserve de ces éléments contenue dans la graine serait suffisante. Le précipité dans le mélange de Prianichnikov a été remplacé par une solution tampon de Sorensen avec un pH de 6,8 à 7.
L'expérience a été menée selon la méthodologie suivante. Au mélange de Prianichnikov (dilué avec de l'eau 1:1), des quantités déterminées de solutions d'acides humiques ont été ajoutées pour atteindre une concentration de 0,001 %. Les germes de graines ont été plantés dans des béchers de 700 ml, deux plantes par bécher. L'expérience a été répétée trois fois. Les mesures des plantes expérimentales ont été effectuées après deux semaines. Pour vérifier la reproductibilité, de telles expériences ont été menées quatre fois.
| Objets d'étude | Expérience 1 | Expérience 2 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Longueur moyenne des racines primaires, mm | Par rapport au témoin, % | Hauteur moyenne de la partie aérienne, mm | Nombre de racines secondaires | Par rapport au témoin, % | |
| Témoin — mélange appauvri de Prianichnikov (Fond) | 44±1 | 100 | 179 | 16 | 100 |
| Fond + acide humique du sol sod-podzolique | 67±5 | 152 | 201 | 36 | 127 |
| Fond + acide humique du sol gris podzolisé | 87±9 | 198 | 190 | 39 | 158 |
| Fond + acide humique du tchernoziom podzolisé | 103±2 | 234 | 201 | 44 | 186 |
| Fond + acide humique du tchernoziom ordinaire | 107±3 | 243 | 203 | 39 | 172 |
| Fond + acide humique du sol brun foncé | 97±4 | 220 | 211 | 41 | 193 |
| Fond + acide humique du tchernoziom sud carbonaté | 85±5 | 193 | 195 | 51 | 146 |
| Fond + acide humique du sol brun | 86±8 | 195 | 220 | 40 | 141 |
Les données présentées montrent que les acides humiques des tchernoziums et des sols bruns foncés, qui ont un noyau aromatique plus condensé, possèdent la plus grande activité physiologique. Les acides humiques des sols sod-podzoliques et bruns, moins condensés et plus dispersés, ont une activité physiologique moindre. Les solutions d'acides humiques du tchernoziom ont un effet stimulant plus fort sur la respiration des racines que les solutions d'acides humiques de la tourbe.
Les scientifiques ont hydrolysé l'acide humique de la tourbe et ont établi que l'humate de potassium du résidu non hydrolysable possède une activité physiologique plus grande que les hydrolysats. Selon eux, le noyau des acides humiques joue un rôle principal dans l'effet stimulant sur les processus biochimiques et sur l'organisme végétal dans son ensemble.
Pour une caractérisation plus complète de l'influence des acides humiques de différents sols sur l'organisme végétal, une expérience en culture sableuse avec des tomates comme culture indicatrice a été menée. Les acides humiques ont été apportés sous forme de solutions d'humate de potassium à raison de 0,22 g d'acide humique par pot. L'expérience a été menée selon le schéma suivant : 1. Témoin — mélange complet de Prianichnikov (fond). 2. Fond + 0,22 g d'acide humique par pot. L'expérience a été répétée trois fois. La récolte a été effectuée 4 semaines après l'émergence. Dans les plantes, le poids frais, l'activité de l'enzyme peroxydase selon la méthode de Pochinok, les sucres réducteurs selon la méthode de Hagedorn-Jensen, la chlorophylle selon la méthode de Guthrie, la vitamine C selon la méthode de Murri ont été déterminés. Après la récolte en culture sableuse, la quantité totale de microorganismes se développant sur MPA, les nitrates avec l'acide disulfophénolique selon la méthode de Grandval-Lajoux, le phosphore mobile selon la méthode de Troug ont été déterminés. Les résultats des analyses sont présentés dans le tableau 4.
| Objets d'étude | Influence des acides humiques sur les plantes | Influence des acides humiques sur le sol | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Poids de 100 germes (poids frais), g | Par rapport au témoin, % | Activité de la peroxydase, mg de cobalt | Quantité de chlorophylle pour 100 g de poids frais, mg | Quantité d'acide ascorbique pour 100 g de poids frais, mg | Somme des sucres, % | Quantité de microorganismes sur MPA, milliers pour 1 g de sol sec | Quantité de NO₃ pour 100 g de sol sec, mg | |
| Témoin — mélange de Prianichnikov (Fond) | 32,6 | 100 | 13,00 | 109,58 | 22,4 | 0,50 | 1760 | 4,16 |
| Fond + acide humique issu de : | ||||||||
| Sol sod-podzolique | 40,88 | 125 | 14,16 | 121,76 | 24,8 | 0,58 | 2090 | 4,54 |
| Sol gris podzolisé | 47,63 | 146 | 16,20 | 121,76 | 27,2 | 0,77 | 2280 | 4,90 |
| Tchernoziom podzolisé | 48,22 | 148 | 16,20 | 126,42 | 29,6 | 0,85 | 2750 | 6,09 |
| Tchernoziom ordinaire | 49,79 | 153 | 16,20 | 131,50 | 30,4 | 0,95 | 2886 | 6,35 |
| Sol brun foncé | 62,46 | 192 | 16,20 | 131,50 | 33,0 | 0,85 | 2640 | 7,14 |
| Tchernoziom sud carbonaté | 41,66 | 128 | 14,60 | 121,76 | 27,0 | 0,90 | 2616 | 6,66 |
| Sol brun | 36,53 | 112 | 14,60 | 121,76 | 25,6 | 0,78 | 1932 | 4,54 |
Les données du tableau montrent que les acides humiques plus "matures" sur le plan génétique des tchernoziums et des sols bruns foncés sont physiologiquement plus actifs. Sous leur influence, le poids de la masse verte des germes augmente, l'activité des enzymes respiratoires s'accroît, l'accumulation de sucres, d'acide ascorbique et de chlorophylle dans les plantes augmente davantage que sous l'influence des acides humiques moins condensés des sols sod-podzoliques et bruns. Dans les variantes avec des acides humiques issus des tchernoziums et des sols bruns foncés, les cultures sableuses contenaient plus de microorganismes et de substances nutritives. Les acides humiques plus "matures" ont un effet stimulant plus important sur l'assimilation des éléments nutritifs par les tomates, ce qui augmente le poids des germes et l'exportation des substances nutritives.
Conclusions
- Les acides humiques de différents types de sols possèdent des propriétés inégales, ce qui détermine en grande partie le rôle des substances humiques dans les processus pédologiques, ainsi que leur influence sur l'organisme végétal. Les acides humiques plus "matures" sur le plan génétique des tchernoziums et des sols bruns foncés, qui ont un noyau aromatique plus condensé, exercent une action stimulante plus forte sur les processus biologiques dans les sols et sur les plantes par rapport aux acides humiques moins condensés des sols sod-podzoliques et bruns.
- L'action des acides humiques est liée, apparemment, à leur teneur totale en groupes fonctionnels.
- Un des facteurs de la plus grande efficacité des engrais humiques sur les sols sod-podzoliques et bruns est, évidemment, la moindre activité physiologique des acides humiques de ces sols.