Właściwości i rola substancji humusowych w środowisku

Na ważną rolę substancji humusowych w glebie zwracano uwagę już w starożytnym Egipcie. Łaciński "humus" pochodzi bowiem od staroegipskiego słowa "k 'hem", oznaczającego żyzny namuł. Mimo że w tamtych czasach nie znano procesów kompostowania składników organicznych, dzięki którym są one przetwarzane w substancje humusowe, powszechnie stosowano dodawanie do gleby odpadów organicznych, wiedząc że w ten sposób  poprawia się właściwości gleby. Substancje te były też stosowane w ówczesnej medycynie jako panaceum na wiele dolegliwości. Pomimo niemal mistycznej czci i ogromnego zainteresowania, historia badań naukowych nad substancjami humusowymi i ich rolą w środowisku liczy zaledwie nieco ponad dwieście lat. Po raz pierwszy wyekstrahował je z torfu w 1786 roku Franz Achard – niemiecki chemik który zasłynął z opracowania metody uzyskiwania cukru z buraków i uruchomił pierwszą na świecie cukrownię we wsi Konary koło Wołowa na Dolnym Śląsku. W połowie XIX wieku szwedzki chemik Jacob Barzelius badał również właściwości chemiczne substancji organicznych wyizolowanych z wody źródlanej. Znaczenie tych substancji w produktywności gleby podkreślał pod koniec XIX wieku wielki gleboznawca V.V. Dokuczajew. Jego badania nad czarnoziemami wykazały, że zawartość próchnicy pozytywnie wpływa na produktywność gleby i wzrost roślin. Od tego czasu badania substancji humusowych w glebach stanowią jeden z głównych tematów współczesnego gleboznawstwa.

W ciągu ostatnich kilku dekad właściwości substancji humusowych wzbudzały wzmożone zainteresowanie naukowców z wielu różnych dziedzin nauki, w tym gleboznawców, hydrologów, chemików, ekologów, fizjologów roślin, farmaceutów i innych. W 1981 roku powstało Międzynarodowe Towarzystwo Substancji Humusowych (IHSS), którego mottem jest „pogłębianie wiedzy i badań nad naturalną materią organiczną w glebie i wodzie”. Niewątpliwie motorem wzrostu zainteresowania substancjami humusowymi jest rosnąca świadomość ich ogromnej roli w ekosystemach lądowych i wodnych, a także ich biostymulujący wpływ na rozwój roślin.

Natura i powstawanie substancji humusowych

Substancje humusowe to amorficzne, ciemno zabarwione, naturalnie występujące związki organiczne, które powstają w wyniku procesów humifikacji, czyli zachodzących w glebie biochemicznych przemian obumarłych roślin, szczątków drobnoustrojów i fauny. Powstawanie substancji humusowych jest związane z działaniem mikroorganizmów, które rozkładają substancje organiczne występujące w glebie i przetwarzają je w trwałe makrocząsteczkowe związki o specyficznych właściwościach.

Substancje humusowe składają się z kwasów fulwowych, kwasów huminowych i humin, a dzielone są w oparciu o ich rozpuszczalność w wodzie. Kwasy fulwowe są rozpuszczalne we wszystkich zakresach pH, natomiast kwasy huminowe są rozpuszczalne w roztworach alkalicznych, ale wytrącają się z nich po zakwaszeniu. Huminy są nierozpuszczalne w wodzie w całym zakresie pH i stanowią najbardziej trwałą część glebowej materii organicznej. Substancje humusowe powstają z różnych źródeł materii organicznej, a ponieważ procesy humifikacji przebiegają w różnych warunkach środowiska, są one niejednorodne pod względem składu i struktury. Są one wysoce reaktywne chemicznie, a przy tym odporne na biodegradację.

Występujące w  glebie substancje humusowe są silnie związane ze składnikami mineralnymi, głównie minerałami ilastymi. Poznanie szczegółów ich budowy wymaga oddzielenia ich od składników nieorganicznych, co znacznie utrudnia ich badania. Z tego względu, struktura molekularna i właściwości chemiczne substancji humusowych – pomimo wieloletnich badań – nie są do końca rozpoznane, a substancje te nie mają określonego wzoru chemicznego. Nie są zaliczane do żadnej znanej klasy związków chemicznych, takiej jak białka, węglowodany, lipidy lub inne związki. Niemniej, większość danych dotyczących kwasów huminowych, kwasów fulwowych i humin odnosi się do ich przeciętnych właściwości i struktury, a poszczególne grupy tych związków wykazują podobne właściwości.

Rola w środowisku lądowym

Substancje humusowe odgrywają kluczową rolę w ekosystemach lądowych. Gleby zawierają więcej węgla organicznego niż atmosfera i roślinność razem wzięte, toteż procesy humifikacji – w przeciwieństwie do uwalniania węgla w procesach mineralizacji glebowej materii organicznej – znacznie wpływają na wychwytywanie i stabilizację dwutlenku węgla. W konsekwencji ograniczają emisję gazów cieplarnianych i przeciwdziałają niekorzystnym zmianom klimatu.

Substancje humusowe są najważniejszym składnikiem gleby, a ich zawartość wpływa na właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne gleby w znacznie większym stopniu niż innych składników masy glebowej. Są one niezbędne do utrzymania odpowiedniego stanu żyzności gleby, a ich zawartość w dużej mierze decyduje o jakości gleby. Uważa się, że gleba – aby w pełni spełniać swoje funkcje – powinna zawierać ponad 2% próchnicy. 

Gromadzone w powierzchniowej części gleby substancje humusowe przyczyniają się do ciemnego zabarwienia poziomu próchnicznego, co powoduje zwiększenie absorpcji światła słonecznego i poprawę właściwości termicznych gleb. Jest to istotne zwłaszcza na początku sezonu wegetacyjnego.

Zdolność kwasów fulwowych i huminowych do dysocjacji jonów H⁺ z różnych grup funkcyjnych powoduje powstawanie wielu ładunków ujemnych, wydatnie zwiększając zdolność gleby do sorpcji kationów. Pojemność sorpcyjna kwasów fulwowych nawet dziesięciokrotnie przewyższa pojemność sorpcyjną składników mineralnych gleby. Wpływa to znacząco na wymianę kationową gleby, zapewniając roślinom stały dostęp do składników pokarmowych. Obecność substancji humusowych ma też decydujący wpływ na zdolność gleby do przeciwdziałania gwałtownym zmianom pH. Ponadto procesy sorpcji, kontrolowane nawet do 90% przez substancje humusowe, odgrywają kluczową rolę w inaktywacji pestycydów, metali ciężkich i innych zanieczyszczeń, ograniczając ich wymywanie do wód gruntowych.

Wzrost zawartości substancji humusowych, zwłaszcza kwasów huminowych w obecności jonów Ca²⁺, sprzyja sklejaniu cząsteczek gleby i powoduje powstawanie stabilnych agregatów. To z kolei korzystnie wpływa na pojemność wodną gleby, pojemność powietrzną, porowatość i jej przepuszczalność. Substancje humusowe indukują również zdolność do rozmnażania się komórek korzeni i modyfikują architekturę systemu korzeniowego. Dzięki temu stymulują wzrost i rozwój roślin. Z tego powodu substancje humusowe są obecnie powszechnie stosowane w produkcji rolnej jako organiczne dodatki do gleby.

Rola w środowisku wodnym

Substancje humusowe są reprezentowane  w wodach tylko przez kwasy huminowe i fulwowe. Wody morskie zawierają od 0,1 do 3 mg /L tych substancji, podczas gdy w wodach słodkich ich zawartość dochodzi do 20 mg /L. W systemach wodnych, takich jak rzeki i strumienie, około 50% rozpuszczonych substancji organicznych to kwasy humusowe, które wpływają na ich pH. Węgiel rozpuszczony w wodzie jest ważny nie tylko jako część globalnego obiegu węgla, ale także reguluje lokalne procesy biogeochemiczne zachodzące w zbiornikach wodnych, wpływając bezpośrednio i pośrednio na ekosystemy wodne. Substancje humusowe są głównym  źródłem organicznych składników odżywczych, a także mogą wykazywać zdolność do regulowania biokoncentracji i toksyczności ksenobiotyków i metali ciężkich. Rozpuszczone substancje humusowe mają bezpośredni wpływ zarówno na ilość, jak i jakość światła w wodach, wpływając na życie i rozwój fauny i flory wodnej. Silna specyficzna absorpcja UV sprawia, że kwasy humusowe są jak naturalny filtr biogeochemiczny chroniący niektóre organizmy przed tym specyficznym promieniowaniem.

Obecne w wodzie kwasy humusowe pełnią też ważne funkcje w technologii jej uzdatniania i oczyszczania i znajdują zastosowanie przy chemicznym usuwaniu zanieczyszczeń. Z drugiej strony, kwasy humusowe mogą też działać niekorzystnie, ze względu na ich reakcje ze środkami dezynfekującymi, z którymi mogą generować toksyczne dla ludzi produkty uboczne.

Efekty biostymulacyjne roślin i zwierząt

Już w starożytności specyficzne właściwości humusu ekscytowały myślicieli i inspirowały do badania jego wpływu na zdrowie człowieka. Pierwsze opisy leczniczego zastosowania humusu można znaleźć w sanskrycie, a także w starożytnych pismach Rzymu i Chin. W Polsce w latach 80. furorę zrobił preparat Tołpy, który był alkalicznym ekstraktem substancji humusowych z torfu. Wprawdzie nie uzyskano jednoznacznych dowodów naukowych potwierdzających właściwości antynowotworowe preparatu, ale w 1989 r. Komisja Leków zarejestrowała ten preparat jako immunomodulator - środek wzmacniający odporność.  Obecnie prowadzone są badania nad zastosowaniem substancji humusowych jako środków przeciwwirusowych i przeciwzapalnych, a także w gojeniu ran i leczeniu chorób prionowych.

Preparaty substancji humusowych, zwane humatami, są powszechnie stosowane jako suplementy diety dla zwierząt. Zawierają zarówno kwasy huminowe, jak i fulwowe. Kwasy huminowe działają rozszerzająco, zwiększając przepuszczalność ściany komórkowej, co  umożliwia łatwiejsze przenoszenie składników z krwi do innych komórek, w tym do kości. Natomiast kwasy fulwowe są  chelatorem, który przenosi składniki mineralne.

Jak wspomniano we wstępie, korzystny wpływ glebowej materii organicznej na wzrost i plonowanie roślin jest znany od starożytności. Jednak funkcja substancji humusowych była niejasna przez wieki. Do czasów Justusa von Liebiga, dziewiętnastowiecznego chemika zwanego ojcem nawozów, wierzono, że humus jest wykorzystywany bezpośrednio przez rośliny. Po tym jak Liebig wykazał, że wzrost roślin zależy od związków nieorganicznych, wielu naukowców zajmujących się glebą podzielało mylny pogląd, że materia organiczna jest użyteczna dla żyzności gleby tylko wtedy, gdy jest rozkładana i są z niej uwalniane mineralne składniki odżywcze. Obecnie wiadomo, że substancje humusowe zwiększają żyzność gleby głównie poprzez wpływ na wcześniej omówione właściwości gleby. Wykazano ponadto, że rośliny mogą wchłaniać rozpuszczalne formy substancji humusowych. Z tego względu w  ostatnich dziesięcioleciach obserwuje się wzrost zainteresowania sztucznymi produktami humusowymi otrzymywanymi głównie w wyniku alkalicznej ekstrakcji węgla brunatnego, a zwłaszcza leonardytu – jego miękkiej, woskowatej odmiany uzyskiwanej w niektórych kopalniach odkrywkowych.

Komercyjne preparaty humusowe wytwarzane z leonardytu w dużej mierze dziedziczą właściwości substancji humusowych z pierwotnych surowców i działają jako środki poprawiające właściwości gleby, a także jako stymulatory rozwoju korzeni roślin. Wiele badań wykazało, że stosowanie produktów humusowych stymuluje wzrost korzeni, liści i pędów, zwiększa pobieranie składników pokarmowych oraz poprawia odporność roślin na stres. Stosowanie nawet niewielkich ilości takich preparatów jak TOPHUMUS, np. kilka litrów na hektar, wpływa korzystnie na rozwój roślin i plonowanie. Uważa się, że substancje humusowe mogą regulować wchłanianie rozpuszczalnych składników pokarmowych, wpływać na metabolizm roślin, głównie działając jako inhibitory lub aktywatory enzymów. Mogą również modulować transport przez błony plazmatyczne, co zwiększa wydajność niektórych procesów wewnątrzkomórkowych. Wiadomo również, że substancje humusowe mogą działać jako czynnik ograniczający rozwój niektórych patogenów. Z tych względów są one stosowane z powodzeniem w nowoczesnej produkcji rolniczej.