Chất hữu cơ, mùn, humate, axit humic, axit fulvic và humin... (phần 1)

Tầm quan trọng của những chất này trong độ phì nhiêu đất và sinh lý cây.

Bài viết của giáo sư Robert E.Pettit, thành viên của hiệp hội các giáo sư trường Đại Học A&M bang Texas. Mỹ.

Phần 1:

LỜI GIỚI THIỆU

Humic, cũng giống như những chất đã liệt kê ở trên, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ phì nhiêu của đất và dưỡng chất cây trồng. thực vật trồng trên đất có chứa đầy đủ Humin. Humic (Has) và Fulvic (Fas) thì ít bị “stress” hơn, khỏe mạnh hơn, cho sản lượng cao hơn; them vào đó chất lượng dinh dưỡng của nông sản và thức ăn gia súc cũng vượt trội hơn nhiều. Giá trị của Humic trong việc làm tăng độ phì nhiêu đất và dưỡng chất cây trồng liên quan đến nhiều chức năng mà hợp chất hữu cơ phức tạp này thể hiện giống như một phần của vòng đời trên đất. Vòng đời này có liên quan đến sự tái sinh khí các-bon chứa thành phần cấu tạo của động thực vật qua đất, không khí và quay trở lại cây trồng sống. Con người trở nên sao nhãng với tầm quan trọng của vòng quay các hợp chất hữu cơ khi mà người ta phát hiện ra rằng lượng Axit hòa tan có trong phân bón hỗn hợp NPK có thể kích thích tăng trưởng cây trồng. Những tập đoàn công nghiệp tận dụng mối lợi từ việc khám phá ra NPK để tung ra thị trường công nghiệp loại phân bón đã được chế biến từ lớp trầm tích khoáng. Sử dụng liên tục những loại phân bón axit này mà thiếu đi Humic đầy đủ (trong đất) đã gây ra nhiều vấn đề sinh thái và xã hội nghiêm trọng. Con người cần xem lại cách tiếp cận của mình đối với kỹ thuật phân bón bằng cách ưu tiên nhiều hơn đến chất mùn trong đất. Sự cần thiết để nhấn mạnh tầm quan trọng của Humic và giá trị của chúng như thành phần phân bón chưa bao giờ lại trở nên quan trọng như bây giờ. Tất cả những ai quan tâm tới khả năng của đất trong việc giúp cây sinh trưởng thì cần phải nâng cao việc phổ biến kiến thức khoa học trong đời sống. Humic được các nhà khoa học chuyên nghiên cứu về đất và các nhà nông học công nhận là thành phần quan trọng nhất giúp đất màu mỡ tươi tốt. Để chứng minh cho chức năng của Humic thì kết luận dưới đây, dựa vào các số liệu khoa học đã công bố, được chuẩn bị như bản hướng dẫn cho chương trình giáo dục. Thêm vào đó để hiểu được phương thức các-bon thực hiện chức năng của mình trong các chất này, những chuyên gia phải có một nền tảng vững chắc dựa vào đó để thiết kế những chương trình nông nghiệp lâu dài an toàn với môi trường.

MÔ TẢ CHI TIẾT CÁC THUẬT NGỮ Đà ĐƯỢC SỬ DỤNG

Thảo luận hồ sơ về những thuật ngữ quan trọng sẽ giúp người đọc dễ hiểu hơn về ý nghĩa của Humic và cách thức mà các nhà khoa học phân chia và mô tả những chiết xuất cụ thể từ hợp chất này. Những đặc trưng chính của chiết xuất này đã được khám phá khi các nhà nông học bắt tay tìm hiểu những thuộc tính về cấu trúc và chức năng của hợp Humic.

CHẤT HỮU CƠ: Chất hữu cơ được định nghĩa như là một nhóm các nguyên tố các-bon có nguồn gốc từ sinh vật sống và lắng đọng bên trên hoặc bên trong các thành phần cấu tạo nên trái đất. Chất hữu cơ trong đất bao gồm những tàn dư của tất cả xác động vật và thực vật nằm rải rác trên bề mặt quả đất hoặc được con người sử dụng dưới hình thức của thuốc trừ sâu hữu cơ tổng hợp. Một mảnh đất màu mỡ chứa quân bình 28% lượng chất hữu cơ, song thực tế thì đất chỉ có dưới 2%. Những vùng đất bị rửa trôi và chứa nhiều Axit (đất cát hoặc đất bồi phù sa) thì tỷ lệ phần lớn chất hữu cơ sẽ tồn  tại dưới dạng xác thực vật và Axit Fulvic. Những vùng đất trung tình và đất kiềm tỷ lệ lớn các chất hữu cơ tồn tại dưới dạng Axit Humic và Humin. Khi chất hữ cơ bị đốt chát thì vẫn còn sót lại lượng tro nhất định. Lượng tro này bao gồm các khoáng chất và các nguyên tố vi lượng được động thực vật dùng trong quá trình sinh trưởng thông thường của chúng. Do đó, chất hữu cơ cũng bao gồm những nguyên tố khoáng được cây sử dụng. Công cụ đo lường chính xác hàm lượng chất hữu cơ trong đất sẽ rất có ích trong việc kiểm tra độ màu mỡ của đất. Hiện thời thì chiết xuất tốt nhất cho việc di chuyển chất hữu cơ từ đất lên là 0,5 hydroxyt Natri thông thường (NaOH) (hoạt động dưới cơ chế của N₂). Chiết xuất tốt thứ 2 là hợp chất Natri phốt phát chát hydrat hóa (Na₄P₂O₇ 10H₂O (pH 9.8)). Mặc dù vậy không có chiết xuất nào có khả năng chuyển tải toàn bộ chất hữu cơ từ các mẫu đất. Rõ ràng là nếu những chất hóa học này là chiết xuất tốt nhất được biết đến thì rất khó xác định được chính xác lượng chất hữu cơ có trong đất. Trong thực tế chất hữu cơ này không phải là thành tố có thể đo được. Hàm lượng chất hữu cơ trong đất mẫu đã được báo cáo dựa trên những thử nghiệm với đất chỉ là sự ước tính. Hàm lượng các-bon hữu cơ trong đất có thể đo được và trở thành chỉ số có giá trị cho nghành hóa Humic tiềm năng. Hàm lượng các-bon trong đất sẽ là một phần đáng mong đợi trong các báo cáo thử nghiệm đất.

CHẤT MÙN: Chất mùn được định nghĩa giống như dãy biến thiên phức tạp từ màu nâu đến màu đen của các-bon boa gồm các hợp chất không thể nhận thấy khi soi dưới kính hiển vi như một cơ quan cấu tạo tế bào sở hữu dưới dạng thức của cơ thể động thực vật. Chất mùn có những đặc tính rất khác so với những chất không chứa Axit Humic như là các-bon hydrat (một phần quan trọng của các-bon trong đất), chất béo, sáp, ancan, chuỗi axit amin, axit amino, đạm, lipid và các axit hữu cơ bởi trên thực tế thì các công thức hóa học cụ thể cho các chất không chứa axit Humic này có thể được đưa ra. Hầu hết các phân tử nhỏ của chất không chứa axit Humic sẽ nhanh chóng bị tan rã do các vi sinh vật trong lòng đất. Trái lại mùn đất thì chậm tan rã dưới tác động của các điều kiện tự nhiên. Khi mà kết hợp với các khoáng chất trong đất, mùn đất có thể được lưu giữ trong đất hàng trăn năm. Mùn là thành phần hữu cơ quan trọng trong đất, chiếm tới 65% - 75%. Mùn giữ vai trò quan trọng như một thành tố làm tăng độ màu mỡ của tất cả các loại đất, có tác dụng vượt xa tỷ lệ phần trăm hiện hữu trong toàn bộ vùng đất.

HỢP HUMIC: Humic – thành phần của chất mùn, là các hợp chất có khối lwongj phân tử cao phối hợp tạo nên chất đa điện phân có hình phân tử linh hoạt, khả năng hút nước tốt, màu sắc biến động từ nâu đến đen được gọi là chất mùn. Hợp chất cấu thành của mùn là chất hữu cơ hỗn hợp tương đối ổn định. Chúng thực hiện chức năng trong cấu trúc đất, độ tơi xốp, khả năng giữ nước, trao đổi cation và anion, và có liên quan đến khả năng giữ các chất khoáng. Qua phân tichs căn bản Humic cho thấy, Humic chủ yếu được cấu thành từ các-bon, O, H, N, và lưu huỳnh trong các chuổi các-non phức tạp (thành phần chất béo chiếm xấp xỉ 40% - 50% trong tổng số) C C C N và 4, 5 , 6 vòng các-bon thành viên  (thành phần hương liệu chiếm 35%-60%) với C C C N và các nhóm C=O. Những kiến thức sơ bộ về hình thành Humic được dựa trên 4 lý thuyết đã được xuất bản như sau: (1) Bổ trợ chất gỗ, (2) Tương tác Axit Amino Quini, (3) Tổng hợp phân tích vi trùng của hương liệu, (4) Phản ứng Mallard (một chuỗi phản ứng của axit amino đường). Mỗi một lý luận mô tả các phản ứng  tự sinh hoặc vô sinh phức hợp trong đó dãy biến hóa của các hợp chấy hữu  cơ, như là hợp chất Phenola (ví dụ: linhin), các-bon hydrat phức tạp, và chất mang tính Nitơ được kết hợp lại để tạo thành các Polime phức hợp dạng lớn. Để những phản ứng  trùng hợp này diễn ra thì phải cần đến sự có mặt của chất xúa tác khoáng vô cơ. Do đó, các chất khoáng vi lượng là điều kiện cần cho sự hình thành Humic. Tính biến thiên cao độ của đặc trưng phân tử Humic có liên quan trở lại tới hợp chất có trước và điều kiện môi trường, thông qua đó thì Humic được tạo thành. Humic bao gồm dãy biến thiên rộng của các thành phần phân tử. Một số thành phần điển hình là: Polissacarit, Axit béo, chuỗi axit amin, Linhgin, Este, Ête, Cácbon nila, quinone, Đạm, Phenola, Pêroxyt, các loại hình kết hợp của Ben-zen, Acêtan, Lactôn, và hợp chất hình tròn Furan; hợp chất béo (chuỗi các-bon). Sự tan rã do Ôxy hóa của một số Humic đã sản sinh ra chất béo, Phenolic và axit Ben-zen các-bonxylic ngoài ra còn có n kiềm và n axit béo. Phần lớn Axit Phenolic được thải ra bao gồm 3 Hydroxyl (OH) và khoảng từ 1 đến 5 nhóm Cácbanxyl  (COOH).

Humic được phân chia thành 3 phân đoạn chính: (1) HUMIN, (2) AXIT HUMIC (HAs), (3) AXIT FULVIC (FAs). Các phân chia này phần lớn dựa trên khả năng dễ hòa tan của mỗi phân đoạn trong nước phù hợp với các điều kiện khác nhau của kiềm axit (độ pH). Một vài đặc trưng chính của Humic được tóm tắt trong biểu đồ 1 ở dưới.

HUMINS: Humin là một phân đoạn nhỏ của Humic không tan trong kiềm (độ pH cao) và cũng không tan trong Axit (độ pH thấp). Humin không tan trong nước ở bất kỳ độ pH nào. Hợp chất Humin được công nhận là chất giàu hữu cơ do khối lượng phân tử (MW) của chúng xấp xỉ từ 100,000 đến 10,000,000. So sánh với khối lượng phân tử của cácbon hydrat (đường hỗn hợp) xấp xỉ từ 500 đến 100,00. Những đặc tính hóa học và vật lý của Humin chỉ được hiểu một phần. Humin có mặt trong đất là chất có khả năng chống chịu được sự phân hủy (chậm phân hủy) trong tất ca các Humic. Một trong những chức năng chính của Humin là nâng cao khả năng giữ nước, bổ sung kết cấu đất, duy trì tính ổn định của đất. Vì những chức năng quan trọng này mà humin được xem là thành phần then chốt trong việc nâng cao độ phì nhiêu của đất.

HUMIC ACIDS: Axit Humic bao gồm hỗn hợp các Axit hữu cơ Alphatic lỏng lẻo (chuỗi cácbon), chúng không tan trong nước trong môi trường Axit nhưng lại tan trong nước trong môi trường kiềm. Axit Humic bao gồm cả phân đoạn đó của Humic bị kết tủa trong dung dịch nước khi độ pH giảm xuống 2. Axit Humic cũng được gọi là chất đa phân tán vì những đặc trưng hoá học biến đổi của chúng. Xét từ khía cạnh 3 chiều thì cácbon phức hợp này bao goommf những hợp chất được xem như polyme tuyến linh hoạt tồn tại như những vòng cuộn ngẫu nhiên với những mắt xích chéo nhau. Trung bình 35% các phân tử Axit Humic (HA) là chất thơm (vòng cácbon), những thành phần còn lại tồn tại dưới dạng phân tử chất béo (chuỗi cácbon). Kích cỡ phân tử của Axit Humic (HAs) xấp xỉ từ 10,000 đến 100,000. Polyme Axit Humic (HA) sẵn sàng bao bọc lấy các khoáng chất trong đất sét để hình thanhhf hỗn hợp đất sét hữu cơ ổn định. Các mao mạch ngoại biên trong polyme có khả năng hỗ trợ các khoáng chất hữu cơ tự nhiên và nhân tạo trong cách Sắp xếp theo hình lưới. Axit Humic sẵn sàng tạo thành muối khi kết hợp với những nguyên tố khoáng vi lượng. Bản phân tích các phần chiết của Axit Humic hình thành tự nhiên sẽ giải thích cho sự có  mặt của hơn 60 các loại chất khoáng khác nhau hiện thời. Những nguyên tố vi lượng này bị giới hạn bởi các phân tử Axit Humic dưới dạng mà các nhóm sinh vật sống sử dụng được. Kết quả là Axit Humic có chức năng như một hệ thống lưu giữ kim loại và trao đổi Ion quan trọng.

FULVIC ACIDS: Axit Fulvic là hỗn hợp các Axit hữu cơ Aliphatic và hương liệu coa thể tan trong nước ở tất cả các nồng độ pH (Axit trung tính và kiềm). Thành phần cấu tạo và hình dạng của Axit này là biến động. Kích cỡ của Axit Fulvic nhỏ hơn Axit Humic (HAs), có khối lượng phân tử xấp xỉ từ 1,000 đến 10,000. Axit Fulvic (FAs) có hàm lượng Ôxy gấp đôi hàm lượng Ôxy có trong Axit Humic (HAs). Axit Fulvic cũng có nhiều nhóm cácbonxyl (COOH) và hydroxyl (COH) do đó có khả năng phản ứng hóa học tích cực hơn. Dung tích trao đổi của Axit Fulvic cũng lớn gấp đôi Axit Humic. Dung tích trao đổi lớn này có được là do số lượng các nhóm Cacbonxyl có mặt trong Axit. Số lượng nhóm Cacbonxyl có mặt trong Axit Fulvic (FAs) là từ 520 đến 1120 cmol (H⁺)/kg. Axit Fulvic được thu thập từ rất nhiều nguồn khác nhau và qua phân tích cho thấy chưa có bằng chứng nào chứng tỏ nhóm Mothoxyl (CH₃) trong Axit Fulvic có nồng độ phenol thấp và ít chất thơm hơn Axit Humic khi chúng được lấy từ một nguồn. Do kích cỡ của các phân tử Axit Fuvic tương đối nhỏ nên chúng dễ dàng thâm nhập vào rễ, thân và lá cây. Khi chúng thâm nhập vào những bộ phận này của cây, chúng mang theo những nguyên tố hiếm (vi lượng) từ bề mặt cây vào trong các mô cây. Axit Fulvic là thành phần chủ chốt của loại phân bón qua lá chất lượng cao. Những ứng dụng của việc phun qua lá bao gồm việc lưu giữ các chất khoáng Axit Fulvic tại các giai đoạn sinh trưởng cụ thể của cây, phương thức này có thể được sử dụng như kỹ thuật sản xuất chủ yếu để thúc đẩy sản lượng tăng đến mức tối đa. Một khi được áp dụng cho lá cây trồng, Axit Fulvic sẽ vận chuyển những nguyên tố vi lượng đến nơi trao đổi chất trong các tế bào cây xanh. Axit fulvic là cácbon có hiệu quả cao nhất bao gồm các hợp chất có khả năng lưu giữ dưỡng chất đã kể trên. Chúng là các hợp chất thích hợp với cây do đó không gây độc hại khi áp dụng với tỷ lệ tương đối thấp.

Những đặc trưng tổng quát của 3 nhóm Humic chính.

Trích dẫn từ cuốn “Các khoáng chất trong môi trường đất” của hai tác giả Dixon, J.B. và S.B. Weed, xuất bản năm 1989, trang 95. Khoa học xã hội về đất của Mỹ, Madison, Wisconsin, 1244 trang.

HUMATES: Humate là dạng muối kim loại (khoáng) của Humic hoặc Axit Fulvic, trong bất kỳ Humic nào thì cũng có một lượng lớn các phân tử Humate phức hợp. Quấ trình  tạo thành humate dựa trên khả năng của các nhóm Cacbonxyl (COOH) và Hydroxyl (OH) (Ở phía ngoài của hợp chất polime) trong việc phân tách các Ion hiđrô. Một khi các Ion hiđrô được phân tách thành một chuỗi thì sẽ xuất hiện các Anion mang điện tích âm (COO - hoặc - CO­^-).Hai trong số các Anion này sẽ kết hợp tạo thành các Catrion kim loại dương như là Sắt (Fe++), Đồng (Cu++), Kẽm (Zn++), Canxi (Ca++), Mangan (Mn++), và Magiê (Mg++). Phản ứng đơn giản (COO^- + Fe⁺⁺ > > COOFe⁺ + H). Xẩy ra để kết hợp 2 Anion, thường là 1 nhóm COOH và 1 nhóm COH. Hợp chất Humate của Humic nào thì mang những đặc điểm riêng của chất đó. Do đó vẫn tồn tại sự biến thiên lớn trong hợp chất phân tử của Humic khác nhau. Humate lấy từ các lớp trầm tích khác nhau được dự đoán là sẽ mang những đặc tính độc nhất riêng biệt của chúng.

Mời các bạn đón đọc tiếp phần 2...