ХУМИНОВА КИСЕЛИНА: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРОИЗВОДСТВО, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

Хуминовата киселина е родовото име на семейство органични съединения, които са част от хуминовите вещества. Те имат различни функционални групи, включително карбоксилни, фенолни, захарни подобни пръстени, хинони и производни на аминокиселини.

Хуминовите вещества, от които хуминовите киселини са част, се разпределят в почви, естествени води и утайки, тъй като те са резултат от разграждането на растителни, животински и природни отпадъци.

Органичен материал, който ще се превърне в вещества като хуминови киселини. Автор: Писауикан. Източник: Pixabay

Хуминовите киселини са част от хумуса и имат способността да подобряват растежа и храненето на растенията, тъй като позволяват хранителните вещества да се задържат по-дълго в почвата, така че да са достъпни за растенията.

Те са амфифилни съединения, тоест имат части, които са свързани с водата и части, които отхвърлят водата, всички в рамките на една и съща молекула.

Поради групите си –OH и –COOH, те могат да образуват комплекси с метални йони или катиони.

Благодарение на своите въглеводородни вериги или ароматни части, те могат да разтварят и фиксират в себе си полициклични ароматни молекули, които са токсични. В допълнение, те имат потенциална употреба в раковата медицина и при получаването на по-ефективни фармацевтични продукти.

структура

Хуминовите киселини съдържат различни функционални групи, чиито количества зависят от географския произход на хуминовата киселина, възрастта, околната среда и биологичните условия и климата, в който е произведена молекулата. Поради тази причина точната му характеристика стана трудна.

Основните му функционални групи са фенолни, карбоксилни, енолни, хинонови, етерни, захари и пептиди.

Функционалните групи, които му придават основните характеристики, са фенолни, карбоксилни и хинонови групи.

Голямата структура на хуминова киселина е съставена от хидрофилни части, образувани от -OH групи и хидрофобни части, състоящи се от алифатни вериги и ароматни пръстени.

Пример за молекула на хуминова киселина, където могат да се наблюдават фенолни -OH групи, -COOH, хинон, захарни остатъци и пептиди (-NH). Yikrazuul. Източник: Wikimedia Commons.

номенклатура

- Хуминови киселини.

- HA или HAs (хуминови киселини).

Имоти

Физическо състояние

Аморфни твърди вещества.

Молекулно тегло

Техните молекулни тегла варират от 2,0 до 1300 kDa.

Един Da или Dalton струва 1,66 х 10 ^-24 грама.

разтворимост

Хуминовите киселини са фракцията на хуминовите вещества, която е разтворима в алкална водна среда. Те са частично разтворими във вода. Неразтворим в кисела среда.

Разтварянето му във вода е сложно, тъй като хуминовите киселини не са индивидуален компонент, а смес от компоненти, където само част от тях са разтворими във вода.

Разтворимостта му може да варира в зависимост от неговия състав, рН и йонната сила на разтворителя.

Химични и биологични свойства

Молекулите на хуминовата киселина обикновено имат хидрофилна или свързана с водата част и хидрофобна част, която отхвърля водата. Ето защо се казва, че са амфифилни.

Поради своята амфифилна природа хуминовите киселини образуват в неутрална или кисела среда структури, подобни на тези на мицелите, наречени псевдо-мицели.

Те са слаби киселини, което се причинява от фенолни и карбоксилни групи.

Хиноновите групи са отговорни за образуването на реактивни видове кислород, тъй като те се редуцират до полухинони и след това до хидрохинони, които са много стабилни.

Наличието на фенолни и карбоксилни групи в молекули на хуминова киселина им дава способността да подобряват растежа и храненето на растенията. Такива групи могат също да насърчават комплексирането с тежки метали. И също така обясняват нейното антивирусно и противовъзпалително действие.

От друга страна, присъствието на групите хинон, фенол и карбоксили е свързано с техните антиоксидантни, фунгицидни, бактерицидни и антимутагенни или демутагенни способности.

Поведение във водна среда според pH

В алкална среда карбоксилните и фенолни групи търпят загубата на Н ⁺ протони, което оставя молекулата отрицателно заредена във всяка от тези групи.

Поради това отрицателните заряди се отблъскват и молекулата се разтяга.

С намаляването на рН фенолните и карбоксилните групи отново се протонират и ефекта на отблъскване престава, причинявайки молекулата да приеме компактна структура, подобна на тази на мицелите.

В този случай хидрофобните части се опитват да локализират вътре в молекулата и хидрофилните части са в контакт с водната среда. За тези структури се казва, че са псевдо-мицели.

Поради това поведение се посочва, че хуминовите киселини имат характеристики на почистване.

Освен това те образуват вътремолекулни агрегати (в рамките на собствената си молекула), последвани от междумолекулна агрегация (между различни молекули) и утаяване.

Разтваряне на големи неполярни молекули

Хуминовите киселини могат да разтварят полициклични ароматни въглеводороди, които са токсични и канцерогенни и са относително неразтворими във вода.

Тези въглеводороди се разтварят в хидрофобното сърце на псевдо-мицелите на хуминови киселини.

Сложно образуване с метални катиони

Хуминовите киселини взаимодействат с метални йони в алкална среда, където катиони или положителни йони действат, за да неутрализират отрицателните заряди на молекулата на хуминовата киселина.

Колкото по-голям е зарядът на катиона, толкова по-голяма е неговата ефективност при образуването на псевдо-мицели. Катионите са разположени на термодинамично предпочитани места в структурата.

Този процес генерира гуминово-метални комплекси, които придобиват сферична форма.

Това взаимодействие зависи от метала и от произхода, молекулното тегло и концентрацията на хуминовата киселина.

Получаване

Гуминовите киселини могат да бъдат получени от органични вещества в почвата. Въпреки това, структурите на различните молекули на хуминова киселина варират в зависимост от местоположението на почвата, нейната възраст и климатичните условия.

Има няколко метода за получаване. Едно от тях е описано по-долу.

Почвата се обработва с воден разтвор от 0,5 N NaOH (0,5 еквивалента на литър) в азотна атмосфера за 24 часа при стайна температура. Целият се филтрира.

Алкалният екстракт се подкислява с 2N НС1 до рН 2 и се оставя да престои 24 часа при стайна температура. Коагулираният материал (хуминови киселини) се отделя от супернатантата чрез центрофугиране.

Приложения

- В селското стопанство

Използването на хуминови киселини в селското стопанство е известно практически от началото на селскостопанската дейност, тъй като те са част от хумуса.

Почва, богата на хумус, следователно богата на хуминови киселини, добра за отглеждане на растения. Автор: Маркус Баумелер. Източник: Pixabay

Хуминовите киселини подобряват растежа и храненето на растенията. Те също така действат като почвени бактерициди и фунгициди, защитавайки растенията. Хуминовите киселини инхибират фитопатогенните гъбички и някои от техните функционални групи са свързани с тази активност.

Заразено от гъбичката Alternaria solani растение, което може да се бори с хуминови киселини. Прету. Източник: Wikimedia Commons.

Наличието на сярна (S) и С = О карбонилна група в молекулата на хуминовата киселина благоприятства фунгистатичната активност. Напротив, високото съдържание на кислород, ароматни СО групи и някои въглеродни атоми, принадлежащи на захарите, инхибират фунгистатичната сила на хуминовата киселина.

Наскоро (2019 г.) е проучен ефектът от прилагането на азотни торове с бавно освобождаване при стабилизиране на хуминовите киселини, присъстващи в почвите, и тяхното влияние върху културите.

Установено е, че карбамидът, покрит с био въглерод, подобрява структурата и стабилността на присъстващите в почвата хуминови киселини, благоприятства задържането на азот и въглерод от почвата и подобрява добива на културите.

- При възстановяване на замърсяването

Благодарение на способността си да образува псевдо-мицели в неутрална или кисела среда, полезността му за отстраняване на замърсители от отпадни води и почви е изследвана от много години.

Металите са един от замърсителите, които могат да бъдат отстранени от хуминови киселини.

Някои проучвания показват, че ефективността на сорбцията на метал на хуминови киселини във воден разтвор има тенденция да се увеличава с увеличаване на рН и концентрация на хуминова киселина и с намаляване на концентрацията на метал.

Определено е също така, че металните йони се конкурират за активните места на молекулата на хуминовата киселина, които обикновено са фенолните групи -СООН и –ОН.

- Във фармацевтичната индустрия

Доказано е полезно за повишаване на разтворимостта във вода на хидрофобни лекарства.

Приготвят се сребърни (Ag) наночастици, покрити с хуминови киселини, които успяват да останат стабилни поне една година.

Тези наночастици от сребро и хуминова киселина, заедно с антибактериалните свойства на последната, имат висок потенциал за получаване на лекарства.

По същия начин комплексите от карбамазепин, антиепилептично лекарство, с хуминови киселини са опитвани да увеличат разтворимостта му и се оказа, че лекарството става много по-разтворимо и ефективно.

Същият ефект от подобряването на разтворимостта и бионаличността е постигнат с комплекси от хуминови киселини и β-каротин, предшественик на витамин А.

- В медицината

Хуминовите киселини са силни съюзници при лечението на различни заболявания.

Срещу някои вируси

Наблюдавана е антивирусна активност на хуминовите киселини срещу цитомегаловирус и вирусите на човешката имунна недостатъчност HIV-1 и HIV-2.

Молекулите на хуминовата киселина могат да инхибират репликацията на вируса чрез свързване на отрицателния им заряд в алкална среда към определени катионни места на вируса, които са необходими, за да може вирусът да се свърже с клетъчната повърхност.

Срещу рак

Установено е, че хуминовите киселини проявяват канцерогенни лечебни свойства. Това се дължи на присъствието на хинони в структурата му.

Структура на хинон, група, присъстваща в молекулите на някои хуминови киселини. Автор: Marilú Stea.

Хиноните генерират реактивни кислородни видове, които произвеждат оксидативен стрес и индуцират апоптоза на ракови клетки чрез фрагментиране на тяхната ДНК.

Срещу мутагенезата

Хуминовите киселини са инхибитори на мутагенезата в и извън клетката. Мутагенезата е стабилната промяна на генетичния материал на клетката, която може да бъде предадена на дъщерни клетки.

Установено е, че способността да инхибира мутагенезата варира в зависимост от състава на хуминовите киселини и тяхната концентрация.

От друга страна, те упражняват десмутагенен ефект върху мутагенни вещества като бензопирен (полиароматичен въглеводород, присъстващ в някои храни), 2-нитрофлуорен (полиароматичен въглеводороден продукт на горене) и 2-аминоантрацен.

Мутагенен ефект на бензопирена върху ДНК. От Ричард Уилър (Zephyris) 2007. Структура на разтвора на транс-отворен (10S) -dA аддукт на +) - (7S, 8R, 9S, 10R) -7,8-дихидрокси-9,10-епокси-7,8, 9,10-тетрахидробензопирен в дуплексна ДНК. Произведено от {{PDB-1JDG}}. == Лицензиране == {{GFDL-. Източник: Wikimedia Commons.

Механизмът на този ефект се състои в адсорбцията на мутаген, така че хуминовите киселини с по-големи структури са най-ефективни. Мутагенът се адсорбира от хуминова киселина и губи своята мутагенна активност.

Смята се, че това може да е важно за защита срещу канцерогенезата.

- В козметичната индустрия

Поради способността си да абсорбират UV и видими лъчи, хуминовите киселини са предложени за употреба в слънчеви блокери, кремове против стареене и продукти за грижа за кожата.

Те могат да се използват и като консерванти в козметичните продукти.

- В хранително-вкусовата промишленост

Поради антиоксидантните си свойства е предложено използването му като хранителни консерванти и като хранителни добавки.

Препратки

1. Gomes de Melo, BA et al. (2016 г.). Хуминови киселини: Структурни свойства и множество функции за нови технологични разработки. Материалознание и инженерство C 62 (2016) 967-974. Възстановени от sciencedirect.com.
2. Wei, S. et al. (2018). Фунгистатична активност на мултиоригиновите хуминови киселини във връзка с химическата им структура. Списание за селскостопанска и хранителна химия 2018, 66, 28, 7514-7521. Възстановено от pubs.acs.org.
3. Kerndorff, H. и Schnitzer, M. (1980). Сорбция на метали върху хуминова киселина. Geochimica et Cosmochimica Acta Vol 44, стр. 1701-1708. Възстановени от sciencedirect.com.
4. Сато, Т. и др. (1987). Механизъм на десмутагенния ефект на хуминовата киселина. Мутационни изследвания, 176 (1987) 199-204. Възстановени от sciencedirect.com.
5. Ченг, М.-Л. и др. (2003 г.). Хуминовата киселина предизвиква оксидативно увреждане на ДНК, забавяне на растежа и апоптоза в първичните фибробласти в човека. Exp Biol Med (Maywood) 2003 Април; 228 (4): 413-23. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.
6. Li, M. et al. (2019). Задържане на органичен въглерод в почвени хуминови вещества, засегнати от прилагането на различни азотни торове в система за култивиране на зеленчукови ротации. Списание за селскостопанска и хранителна химия, 2019, 67, 11, 3106-3113. Възстановено от pubs.acs.org.