Sustancias húmicas

Biología. Medio ambiente. Fertilidad del mar. Nutriientes. Contaminación. Clasificación. Formación

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Introducción

4

Sustancias húmicas en el mar

5

Clasificación de las sustancias húmicas

6

Formación de las sustancias húmicas

7

Distribución de las sustancias húmicas en el medio marino

9

Caracterización de las sustancias húmicas

9

Análisis y cuantificación de las sustancias húmicas

12

Reacciones de las sustancias húmicas

14

Reacciones con metales

14

Reacciones con contaminantes

15

Las sustancias húmicas como indicadores de contaminación

15

Papel de las sustancias húmicas en la productividad acuática

15

Interacción de las sustancias húmicas con los principales nutrientes

16

Nitrógeno

16

Fósforo

16

Resumen

17

Bibliografía

18

Introducción

La materia orgánica que se encuentra en el agua del mar consiste en una mezcla compleja de sustancias como carbohidratos, proteínas, péptidos, aminoácidos, lípidos, hidrocarburos, ácidos carboxílicos, compuestos fenólicos, vitaminas, macromoléculas y coloides naturales como las sustancias húmicas, fitoplancton y otros materiales de origen vegetal (Riley, 1970; Williams, 1975).

Las algas, las bacterias, los detritus y restos vegetales, son materia orgánica en forma particulada (POM). Las concentraciones de POM son muy variables de una parte a otra del océano aunque sólo son una pequeña parte de la materia orgánica total. El resto de la materia orgánica en el mar está en forma disuelta (DOM). Normalmente se utilizan filtros de fibra de vidrio de 0,45 µm de diámetro de poro para separar la DOM de la POM. El material retenido en el filtro es utilizado para analizar la POM y en el agua filtrada se analiza la DOM. Esta separación no es clara ya que normalmente se encuentra un continúo de tamaños. La DOM está en aguas superficiales en una concentración entre 1,35 y 5,5 mg C/l de agua. Generalmente las concentraciones mas altas son medidas en las masas de agua de regiones costeras, y las mas bajas en las masas de agua de los océanos profundos y sobre todo en medio de los giros geostróficos.

A pesar de sus bajas concentraciones, DOM y POM juegan un papel importante en la química y la biología del agua del mar. Son fuente de energía para invertebrados y algas, además son una buena fuente de alimento para las comunidades del bentos. También reaccionan con metales traza para formar complejos organometálicos, haciendo así solubles estos metales y disponibles para el plancton.

La DOM es una mezcla heterogénea de polímeros alifáticos y aromáticos y su composición varía en el tiempo y el espacio dependiendo de la proximidad a las fuentes y su exposición a los procesos de degradación. Aunque la mayoría de la materia orgánica producida por los organismos fotosintéticos se degrada rápidamente, un gran número de compuestos orgánicos son liberados en el mar como resultado de la autólisis y actividad vital de organismos marinos. Parte este material liberado está como DOM, y parte está como POM. El fitoplancton es el productor principal de materia orgánica y es también el que mayores aportaciones hace para la DOM. Durante su vida y crecimiento, el fitoplancton libera un gran número de productos fotosintéticos, las cantidades son diferentes de unas especies a otras. Williams (1975) apuntó que esa liberación desde el fitoplancton es del 10 al 25% de su materia orgánica asimilada. Cuando mueren y se descomponen las células de los organismos fotosintéticos, aportan al mar una cantidad considerable de DOM. El zooplancton es también responsable de DOM, liberan materia orgánica soluble de sus cuerpos y excretan materias fecales. La materia orgánica descargada por los ríos es otra fuente principal de DOM en aguas costeras.

A pesar de que existen muchas bacterias y hongos especializados en degradar el material celular, muchos compuestos orgánicos son resistentes a ésta degradación microbiana. Las sustancias húmicas están formadas por los compuestos celulares originales resintetizados a partir de la materia orgánica disuelta y particulada por la actividad microbiana. Así una cantidad considerable del carbono orgánico se convierte en un material refractario que abandona el ciclo bioquímico de carbono o participa de él lentamente. Estos compuestos van a parar a los sedimentos marinos, son sumamente complejos y son resistentes a la degradación, así permanecen en la naturaleza millones de años. Menzel (1974) sugirió que aproximadamente 4% de toda producción orgánica se convierte en sustancias húmicas. Esta estimación no puede ser aplicada para las aguas poco profundas de áreas costeras, dónde los diversos parámetros fisicoquímicos y biológicos son muy variables. La cantidad de DOM que se acumula en el océano es de aproximadamente 700 Gt de C de acuerdo con estimaciones conservativas (Toggweiler, 1992). Esta concentración no es constante en los océanos, cambia según la época del año, la profundidad y la latitud.

Los carbohidratos son probablemente el componente predominante de la DOM con concentraciones desde 200 a 800 µg/l (Williams, 1975). Los aminoácidos constituyen el segundo grupo principal, sus concentraciones van desde 2 a 120 µg/l (Riley, 1970). Las concentraciones de lípidos son aproximadamente de 0,15 a 0,31 µ/l. Estos compuestos son aproximadamente 10% de la materia orgánica disuelta (Duursma, 1965; Williams, 1975). El restante 90% es biológicamente refractario, estable bioquímicamente, de naturaleza macromolecular y no ha sido totalmente caracterizado; son las sustancias húmicas del agua del mar, humus, o gelbstoff (Duursma, 1965; Menzel, 1974).

Sustancias húmicas en el mar

Las sustancias húmicas son sumamente complejas en su composición y naturaleza química. Estos compuestos representan la mayoría del carbono orgánico coloidal en el agua marina y originriamente se llamaron gelbstoff (sustancias amarillas) por el color amarillo que desarrolló el agua en su presencia. Son complejos macromoleculares coloreados, de carácter ácido con un rango de peso molecular que va de cientos a miles (Wetzel, 1975). Gran parte de las sustancias húmicas se forma como resultado de la actividad microbiana sobre restos de plantas y animales. El aporte anual de humus al agua de origen planctónico es aproximadamente 4% de la producción primaria anual y estima que es 1,15 Gt de C. Cada año 0,18 Gt de C de las sustancias húmicas solubles en agua de origen terrígeno entran en el océano. Así, la cantidad total anual de sustancias húmicas en el agua de mar es 1,33 Gt de C (Skopintsev, 1971).

Dependiendo de las condiciones oceanográficas, hidrográficas, y condiciones geoquímicas del agua del mar, el tiempo de residencia de las sustancias húmicas puede ser de varios cientos de años a muchos miles de años. Según Skopintsev (1971), el tiempo de residencia estimado va desde 1000 a 1500 años, pero otras investigaciones sugieren muchos períodos de tiempo mucho más largos. La media de edad en el océano profundo de la materia orgánica disuelta es estimada en aproximadamente 3400 años (Arhelger et al. 1974). La acumulación de carbono orgánico en los sedimentos es un proceso complejo. Los sedimentos costeros generalmente están enriquecidos en carbono, con una concentración entre 2 y el 47%. Los sedimentos de mar abierto son generalmente pobres en carbono orgánico (menos del 0,5%).

Las sustancias húmicas en aguas naturales son macromoléculas de carácter ácido, las cuales son relativamente estables contra las degradaciones bioquímicas. Hay sustancias húmicas que son producidas in situ por transformaciones microbianas desde una gran variedad de compuestos bioquímicos, derivados de las células muertas y de productos extra-celulares de diversos organismos acuáticos (proteínas algales, carbohidratos, lípidos y fenoles). Otro grupo de sustancias húmicas en agua y sedimentos marinos son materiales alóctonos transportados desde la zona terrestre a los océanos a través de ríos y otros cursos de agua; por eso las concentraciones mas altas de estas sustancias húmicas se dan en las regiones costeras de los océanos. La mayor parte de estas sustancias húmicas de procedencia terrestre están compuestas por lignina degradada procedente de las plantas vasculares. Las sustancias húmicas forman complejos con una variedad de compuestos orgánicos no húmicos como aminoácidos, carbohidratos, ácidos grasos, fenoles, y porfirinas; así estos compuestos pueden ser protegidos de la descomposición microbiana.

La humificación ocurre bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas, aunque el proceso es especialmente intenso bajo condiciones aeróbicas. Las sustancias húmicas del mar son precipitadas a través de los procesos de floculación, absorción a partículas de minerales de la arcilla, incorporación en los paquetes fecales de zooplancton, en la alimentación de los invertebrados, agregación en burbujas, y por factores hidráulicos que regulan la deposición mecánica en sedimentos. Las sustancias húmicas en los sedimentos profundos están ligeramente mas condensadas que en los sedimentos poco profundos, en las regiones costeras marinas se encuentran en los sedimentos junto con arcillas y limos.

Las sustancias húmicas pueden tener efectos perjudiciales en ecosistemas acuáticos. La baja productividad en un medio rico en sustancias húmicas puede ser por la inmovilización de micronutrientes, absorción de luz, acidez excesiva, y posiblemente la presencia de sustancias antibióticas tales como fenoles. Sin embargo, los efectos beneficiosos de las sustancias húmicas son mayores. Una de las funciones beneficiosas es la captación de metales y las propiedades de intercambio catiónico, así las sustancias húmicas producen la detoxificación de metales pesados y otras sustancias tóxicas disueltas. Las sustancias húmicas también pueden proporcionar Fe3+ disponible para el fitoplancton. La captación y la liberación de PO43- por las sustancias húmicas puede ser muy importante para la vida de organismos acuáticos. Pero sobre todo, el efecto más beneficioso se debe a su contribución a la estabilidad de los ecosistemas acuáticos, ya que las sustancias húmicas son un deposito importante de elementos nutrientes.

Clasificación de las sustancias húmicas

Las diferencias entre las moléculas de las sustancias húmicas son tan grandes que no es exagerado decir que no hay dos moléculas exactamente iguales. Por tanto es muy difícil de subdividir estos compuestos. Para intentar una clasificación se ha recurrido a las propiedades de solubilidad en disoluciones ácidas o básicas.

Los ácidos fúlvicos son solubles en medio ácido y básico. Muchos ácidos fúlvicos también son también solubles en agua de mar. Son la fracción de bajo peso molecular de las sustancias húmicas. Están débilmente aromatizadas, pobremente condensadas y tiene una mayoría de cadenas alifáticas. Están menos polimerizados que los ácidos húmicos y generalmente están enriquecidos en grupos funcionales con oxígeno. Una vez formados, los ácidos fúlvicos probablemente sufren reacciones de condensación para formar ácidos húmicos más complejos.

Los ácidos húmicos son insolubles en medio ácido y son solubles en medio básico. Son la fracción de alto peso molecular de las sustancias húmicas. Están mayormente condensados y polimerizados. Se extraen de suelos, sedimentos, etc. Bajo condiciones oxidativas, los ácidos húmicos se pueden degradar a compuestos más simples similares a los ácidos húmicos.

La humina es insoluble en disoluciones ácidas y básicas. Tiene uniones muy fuertes con los minerales de la arcilla. Cuando se rompen estas uniones la humina es soluble en disoluciones alcalinas.

Formación de las sustancias húmicas

Las reacciones de humificación comienzan mediante reacciones químicas o bioquímicas realizadas por una gran variedad de microorganismos, los compuestos como proteínas, carbohidratos, ligninas, taninos, fenoles, polifenoles, procedentes de la biomasa son parcialmente transformados en una serie de compuestos simples que experimentan reacciones para formar nuevos compuestos. Estas reacciones son de polimerización, repolimerización, condensación y recondensación; son complejas y no están suficientemente estudiadas. Muchas de estas reacciones son facilitadas por enzimas liberadas por microorganismos. Las sustancias húmicas formadas son una intrincada malla macromolecular de compuestos alifáticos y aromáticos.

Como ejemplos de los mecanismos de reacción que se pueden dar para la formación de sustancias húmicas son las reacciones entre compuestos fenólicos y sustancias nitrogendas (fig 1), y reacciones de aminoácidos con azúcares (fig 2).

'Sustancias húmicas'

Figura 1. Reacciones de compuestos fenólicos con amoniaco (Ishiwatari, 1971).

'Sustancias húmicas'

Figura 2. Polimerización oxidativa de fenoles involucrados en el enlace de aminoazúcares (Martin et al., 1975).

Las sustancias húmicas se forman por una secuencia complicada de la cual sólo se conocen en parte las reacciones. Varias hipótesis se han barajado para dar explicación sobre su síntesis en la naturaleza.

Una teoría propone que macromoléculas como carbohidratos y proteínas son degradadas por el ataque microbiano para formar el corazón de las sustancia húmicas; mientras que compuestos refractarios o biopolímeros (e.g. lignina, parafina, melanina y cutina), son transformados para producir a una sustancia de alto peso molecular precursora de la humina. La mayor oxidación de estos materiales genera grupos funcionales con mayor contenido de oxígeno, las moléculas se vuelven bastantes pequeñas e hidrófilas como para ser solubles en una disolución alcalina (ácidos húmicos). Eventualmente las moléculas se hacen más pequeñas y se enriquecen más en oxígeno, así se disuelven en ácidos y bases (ácidos fúlvicos). La mayor degradación produce estructuras que tienen algunas características originales pero que no se parecen estructuralmente al material del que proceden.

Como alternativa, se ha desarrollado otra hipótesis que se basó en que los biopolímeros de las plantas son inicialmente degradados hasta moléculas pequeñas, después éstas moléculas son repolimerizadas para formar las sustancias húmicas. Se ha pensado que los polifenoles sintetizados por hongos y otros microorganismos, conjuntamente con las sustancias liberadas de la degradación oxidativa de la lignina, experimentan polimerización. Una consecuencia de este esquema es que los ácidos fúlvicos serían un precursor de los ácidos húmicos para formar después la humina (todo lo contrario de la teoría degradativa). Esta hipótesis podría explicar las observaciones donde hay una similitud considerable de sustancias húmicas que se formaron a partir de una gran diversidad de macromoléculas precursoras en ambientes distintos.

Ambos caminos podrían contribuir a la formación real de sustancias húmicas dependiendo del ambiente. Por ejemplo, la ruta degradativa podría predominar en sedimentos húmedos y en el ambiente acuático en general. Considerando las condiciones en terrenos que están sujetos a los climas continentales áridos podría favorecer un esquema de polimerización de condensación.

Distribución de las sustancias húmicas en el medio marino

La concentración y distribución de las sustancias húmicas en el medio marino es muy variable y está directamente relacionada con la productividad primaria, la cual depende de las condiciones hidrodinámicas y de otros parámetros ecológicos y medioambientales. La mayor concentración de DOM está en la capa superficial (de 0 a 200 metros), con una media entre 1,35 y 5,5 mg/l de C.

Como se ha dicho anteriormente, la mayor concentración de sustancias húmicas en los océanos es en las áreas costeras, en la desembocadura de los grandes ríos a donde han sido llevadas desde un origen terrestre, también en zonas de upwelling donde la productividad primaria es alta.

Caracterización de las sustancias húmicas

Los métodos espectroscópicos de infrarrojo (IR) y la espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear (13C-NMR) son utilizados para indicar la presencia de grupos estructurales en las sustancias húmicas. Como ejemplo en la fig. 3 se muestra un espectro de IR obtenido en ácidos fúlvicos y ácidos húmicos de un suelo y en la tabla 1 hay información que puede usarse para interpretar este y otros espectros.

'Sustancias húmicas'

Figura 3. Espectro de IR de un ácido húmico (a) y de un ácido fúlvico (b) de un suelo. (Moturi, 1991)

Banda de Absorción

Asignación

3400 cm-1

Vibración de tensión de O-H en fenoles y cadenas alifáticas

2920 cm-1

Tensión asimétrica de C-H en -CH3 y -CH2

2860 cm-1

Tensión simétrica C-H en -CH3 y -CH2

1720 cm-1

Tensión del C=O en -COOH

1630 cm-1

Puede ser debido a la tensión C=C en anillos aromáticos, tensión asimétrica del -COO-, C=O o tensión C=C conjugados con grupos carbonilo u otros dobles enlaces

1540 cm-1

Tensión C=C aromáticos o deformación N-H

1420 cm-1

Flexión del O-H de alcoholes, ácidos carboxílicos y fenoles, o las deformaciones C-H de grupos -CH2 y -CH3

1240 cm-1

Tensión del C-O y deformación O-H del -COOH

1050 cm-1

Puede ser debido a las deformaciones O-H y tensión del C-O en polisacáridos, grupos fenólicos y alcohólicos, o Si-O de impurezas de silicatos

940 cm-1

Flexión del C-H aromático fuera del plano

800 cm-1

Flexión del C-H aromáticos fuera del plano

Tabla 1. Algunas de las bandas observadas en el espectro de IR de ácidos fúlvicos y húmicos. (VanLoon, 2000).

Las características comunes en las bandas de IR para varias muestras de ácidos húmicos y ácidos fúlvicos sugieren que hay grupos estructurales compartidos por todos los tipos de sustancias húmicas. En la fig. 3 las bandas observadas son consistentes con la presencia de los grupos químicos esperados, incluyendo grupos OH- fenólicos y alifáticos, grupos carbonilo y carboxilo. Además hay pruebas de aromaticidad y de uniones covalentes en unidades alifáticas. La cuantificación de los grupos funcionales no es posible en el espectro de IR.

En la tabla 2 podemos ver algunas características químicas de ácidos fúlvicos y húmicos como la composición elemental, contenido en grupos funcionales y contenido en aminoácidos.

Ácidos húmicos

Ácidos fúlvicos

Composición elemental (%)

C

50,2-63,8

38,4-48,7

H

5,5-7,0

4,3-6,6

N

3,6-5,6

2,6-5,2

O

24,1-40,6

41,8-54,5

C/H

7,8-10,8

6,9-8,9

C/N

11,4-13,9

9,4-14,8

Contenido en grupos funcionales (meq/g de materia orgánica)

Acidez total

2,0-7,0

2,0-5,5

Carboxilo

2,0-5,0

1,0-4,0

Hidroxilo fenólico

0,0-2,5

0,0-1,0

Hidroxilo alcohólico

0,0-3,0

nd

Carbonilo

3,0-6,0

3,0-6,0

Quinona

1,8-2,8

2,4-4,7

Contenido en aminoácidos (mg/g)

Aminoácidos básicos

15,2-18,3

7,5

Aminoacidos ácidos

25,5-25,6

25,7

Aminoácidos neutros

41,6-44,8

29,2

Aminoácidos aromáticos

8,7-9,8

9,5

Aminoácidos sulfurados

3,7-3,8

4,6

Total

98-100

76,5

nd: no determinado

Tabla 2. Características químicas de las sustancias húmicas procedentes de sedimentos (Rashid, 1974)

Usando todos estos tipos de información, es posible desarrollar una idea de la estructura molecular de substancias húmicas.

'Sustancias húmicas'

Figura 4. Representación esquemática de una sustancia húmica marina. (SCOPE 13)

Las diversas interacciones que aparecen en la fig. 4 según Degens y Mopper (1976) son:

  • Condensaciones entre compuestos orgánicos como proteínas, carbohidratos, lípidos, y lignina.

  • Interacciones entre sustancias minerales y orgánicas como la condensación y la adsorción de compuestos orgánicos en la superficie de minerales de la arcilla como la caolinita.

  • Interacciones de compuestos orgánicos con iones metálicos que como resultado da un incremento en el orden estructural de la sustancia húmica (formación de poliedros de coordinación con el ion metálico). Los grupos funcionales de diferentes moléculas orgánicas pueden participar en esta coordinación. La unión de compuestos orgánicos en los complejos metálicos protege a las sustancias húmicas de la degradación biológica.

  • Interacciones de los minerales de la arcilla con iones metálicos y compuestos orgánicos que se producen cuando los átomos de oxígeno de la superficie del mineral participan en el poliedro de coordinación del ion metálico.

  • Formación de micelas. Las moléculas que contienen partes hidrófobas e hidrófilas (por ejemplo los ácidos grasos) tienden a agregarse a fin de que la parte hidrófila interactúe con el ambiente acuoso, y la porción hidrófoba este protegida del ambiente acuoso.

Análisis y cuantificación de las sustancias húmicas

La materia orgánica disuelta (DOM) juega un papel muy importante en los ecosistemas acuáticos. Su concentración y composición influye directa e indirectamente en varias cosas como la biología (ecología microbiana y del plancton, e.g. Williamson et al., 2001), la química (transporte y especiación de metales traza, e.g. Berault et al., 1996; toxicidad de los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), e.g. Diamond et al., 2000) y física (propiedades ópticas, e.g. Bricaud et al., 1981).

La complejidad química y la baja concentración de uno de los componentes principales de la DOM, las sustancias húmicas disueltas, hacen que el balance del carbono oceánico sea especialmente difícil de conocer. Los métodos usados para extraer la DOM de agua de mar en suficientes cantidades para su análisis composicional precisan volúmenes grandes y largos tiempos de procesamiento de las muestras, introduciendo la posibilidad de contaminación y de alteración química del material de partida y limitando el número de muestras que pueden ser tomadas.

La fracción ópticamente activa de la DOM se denomina Materia Orgánica Disuelta Coloreada (CDOM por sus siglas en inglés) y además de absorber luz, es fluorescente cuando es excitada por luz de la región UV y azul del espectro. Se han observado dos tipos de fluorescencia de DOM en agua de mar, uno de sustancias de naturaleza húmica (De Souza Sierra et al., 1994), que ocurre entre 420-450 nm de excitación y entre 230-260 y 320-350 nm, y otro de sustancias de naturaleza proteica o aminoácidos (De Souza Sierra et al., 1994). La fluorescencia de las sustancias de naturaleza proteica proviene de la fluorescencia de aminoácidos aromáticos, ya sea de aminoácidos libres o como componentes de proteínas, y se observa en una emisión 300-305 nm (sustancias de naturaleza proteica-tirosina) y 340-350 nm (sustancias de naturaleza proteica-triptófano) a una excitación entre 220 y 275 nm (Wolfbeis, 1985).

Las matrices de excitación-emisión (EEMs), que se generan a partir de una amplia serie de espectros de emisión, aportan una detallada información para identificar grupos de compuestos fluorescentes en mezclas complejas, como el agua de mar. La espectroscopía de fluorescencia permite de esta forma obtener información sobre el tipo y concentración de fluoróforos, siendo además una técnica fácil y rápida. El análisis de las distintas matrices que se pueden obtener, permiten la caracterización de la DOM, su cuantificación y una aproximación a su dinámica en relación a procesos físicos y biológicos. Por ejemplo, la espectroscopia EEM ha sido aplicada correctamente para diferenciar entre CDOM de origen terrestre y marino (Coble, 1996).

La fluorescencia es un fenómeno que ocurre en las sustancias y que puede explicarse de la siguiente manera. Cuando un átomo absorbe luz (energía), un electrón es excitado y salta a un orbital desocupado. La diferencia de energía entre el estado fundamental (S0) y los estados excitados (S1, S2 o más alto) determina las longitudes de onda en las cuales la luz es absorbida. La excitación es entonces seguida por una relajación no-radiativa para el subnivel menor del estado S1. La fluorescencia aparece cuando el electrón vuelve al estado fundamental (S0). La longitud de onda de la emisión de fluorescencia es determinada por la diferencia en la energía entre los estados S1 y S0. Cuanto mayor sea la conjugación en la molécula, inferior será la diferencia en la energía, y resulta una longitud de onda más larga de fluorescencia.

La espectroscopia de fluorescencia se ha usado para caracterizar la materia orgánica disuelta (DOM) en muestras concentradas y no concentradas de agua de una gran variedad de agua continental, y de ambientes costeros y marinos. Las sustancias húmicas, tienen un espectro de absorción de luz con una forma marcadamente exponencial, decreciente con la longitud de onda, con valores más elevados en la región ultravioleta y azul del espectro (350-450 nm) y mínimos en la zona de 650 nm en adelante. Debido a su origen, no es posible considerar como invariables en el tiempo a estos valores de absorción, aunque son bastante constantes en períodos de unos pocos días o inclusive semanas.

En la tabla 3 se muestra una lista los picos de fluorescencia más comunes para cada grupo identificado en agua de mar. Los picos son designados por letras ya que la composición química es desconocida por el momento.

Pico

Descripción

Exmax (nm)

Emmax (nm)

B

Sustancias de naturaleza proteica-tirosina

275

310

T

Sustancias de naturaleza proteica-triptófano

275

340

A

Sustancias de naturaleza húmica (UV)

260

380-460

M

Sustancias de naturaleza húmica marina

312

380-420

C

Sustancias de naturaleza húmica (visible)

350

420-480

Tabla 3. Fluorescencia identificada en agua de mar. (Coble, 1996)

La fluorescencia de las sustancias de naturaleza húmica son dos picos, una estimulada por la excitación UV (pico A) y otro por la excitación en visible (pico C). Para todas las muestras, las posiciones de los máximos de excitación y de emisión para el pico C dependen de la longitud de onda de observación. La tendencia que fue observada es que la posición de la longitud de onda es independiente del máximo de fluorescencia (Exmax/Emmax) para el pico C, con un máximo a una menor longitud de onda de excitación y de emisión para muestras marinas que para muestras de agua dulce. Las diferencias sugieren que las sustancias húmicas en aguas superficiales marinas es químicamente diferente a las sustancias húmicas en los otros ambientes estudiados. Estos resultados explican trabajos previos que estudiaron las propiedades de fluorescencia de DOM de aguas naturales y también proporcionan una manera de distinguir entre las fuentes de masas de agua en el océano.

'Sustancias húmicas'

Figura 5. Picos de fluorescencia de sustancias húmicas. (Coble, 1996).

En la fig. 5, las secciones paralelas al eje x representa espectros de emisión y las secciones paralelas al eje y representan espectros de excitación.

La espectroscopía de emisión-excitación de matrices (EEMs) ha sido aplicada con éxito para el estudio de la DOM del agua de mar, la cual es una mezcla compleja de compuestos fluorescentes (Coble et al., 1993). Es suficientemente sensible como para permitir análisis de DOM sin concentrar el agua de mar, y es lo suficientemente rápida como para ser útil en investigaciones de variaciones pequeñas de la composición de DOM. Cada EEM representa una cantidad enorme de información espectroscópica perteneciente a la composición química de cada muestra.

La EEMs ofrece varias ventajas principales sobre las metodologías de barrido sencillas. Una vez que el EEM ha sido completamente corregido para la configuración instrumental (Coble et al., 1993), los datos pueden ser analizados como espectros de excitación, espectros de emisión o de barrido sincronizado de espectros, si bien originalmente recogidos como barridos de emisión. Además, los EEMs proporcionan información nueva de la fluorescencia de la DOM (FDOM) de la muestra; y del máximo de longitud de onda independiente en fluorescencia (Exmax/Emmax).

El Exmax/Emmax no depende de la longitud de onda en la cual la fluorescencia es estimulada o en cuál emisión fue observada, porque representa la única combinación de las longitudes de onda de excitación y de la emisión a la cual resulta el máximo de fluorescencia. Los máximos de excitación y emisión para sustancias húmicas en aguas continentales y marinas no son constantes, y cambian con composición de muestra. La posición del máximo de fluorescencia aparece en las longitudes de onda más cortas para muestras de agua de mar de superficie que para muestras de agua continental. El máximo de excitación depende de la longitud de onda en la cual se observa la fluorescencia y la emisión máxima depende de longitud de onda a la cual la fluorescencia es estimulada. La variabilidad en estos parámetros es mayor en aguas superficiales marinas y más bajo en ríos y aguas marinas profundas.

Para realizar los EEMs, Coble (1996), tomaron muestras de agua sin concentrar previamente filtradas (por un filtro de 0,45 µm de nylon) para eliminar la POM y se guardaron congeladas en viales de color ámbar desde períodos de semanas a un año. Las muestras para el análisis de sustancias húmicas se prepararon como se describe en Meyers-Schulte y Hedges (1986).

Reacciones de las sustancias húmicas

Reacciones con metales

Las sustancias húmicas reaccionan con una variedad de metales para formar complejos organo-metálicos con varias estabilidades. La solubilidad, precipitación, movilidad, reciclaje, redistribución, y concentración de los iones metálicos está influenciada por estas reacciones.

Por ejemplo, la concentración del ión Fe en aguas naturales es 109 veces la predicha por los datos de solubilidad. Una explicación a este fenómeno es la presencia de sustancias húmicas, la cuales reaccionan con el hierro para formar complejos solubles Fe-sustancias húmicas. En diferentes estudios se ha comprobado que la concentración de metales en agua de mar está directamente relacionada con su contenido en carbono orgánico.

Reacciones con contaminantes

Muchas reacciones físicas, químicas y geoquímicas de los contaminantes y plaguicidas en el medio ambiente están muy afectadas por la cantidad de materia orgánica.

Las sustancias húmicas poseen sitios reactivos que tienen grupos funcionales diversos. Dependiendo de la naturaleza de los compuestos involucrados, los mecanismos de reacción pueden ser de cambio iónico, enlaces de hidrógeno, adsorción superficial, cambio de ligandos, y enlaces de coordinación. El área específica de las sustancias húmicas es enorme, se estima entre 500 a 800 m2/g, lo cual facilita enormemente las reacciones de adsorción. Además poseen otros grupos muy reactivos como son el grupo carboxilo, el hidroxilo fenólico y grupos amino, así la formación de iones y complejos de coordinación también es posible. En las características de adsorción de muchos plaguicidas, particularmente ácidos y bases débiles, el pH juega un papel muy importante. Como hay una gran cantidad de plaguicidas con una gran variedad de propiedades fisicoquímicas, es difícil de proponer un esquema simple de estas reacciones con las sustancias húmicas.

Además se producen interacciones de las sustancias húmicas con contaminantes inorgánicos. Por el gran número de metales tóxicos y sus complejas interacciones físicas, químicas y biológicas, es difícil ver en detalle todos los aspectos del comportamiento de los metales pesados. El principal mecanismo es la quelación para formar complejos órgano-metálicos de varias estabilidades. Las sustancias húmicas también adsorben metales radioactivos como uranio.

Las sustancias húmicas como indicadores de contaminación

Algunas de las características de las sustancias húmicas proporcionan importante información de las condiciones de deposición asociadas a la contaminación medioambiental. Los ácidos húmicos y fúlvicos procedentes de zonas contaminadas contienen más hidrógeno, nitrógeno y azufre, menos oxigeno y pocos grupos carboxilo por unidad de peso que las sustancias húmicas extraídas de suelos y sedimentos no contaminados.

Papel de las sustancias húmicas en la productividad acuática

La alta productividad en aguas costeras no puede ser explicada solamente en base a altas concentraciones de nutrientes inorgánicos. Mientras que los niveles de nutrientes indican el potencial para la producción primaria, no parece que haya una clara relación entre el grado de fertilidad y las concentraciones de nutrientes inorgánicos. Muchas observaciones surgieren que los compuestos orgánicos muestran gran importancia en la regulación del crecimiento en el fitoplancton, aunque los nutrientes inorgánicos y la luz solar son los factores básicos que gobiernan la productividad primaria. El papel de los compuestos orgánicos puede ser en el fenómeno de quelación de metales, lo cual aporta muchos metales traza de forma soluble y disponible. Esta disponibilidad completa los efectos de la concentración de nutrientes y de la luz del sol.

A menudo se ha visto que fuertes lluvias es un prerrequisito para muchos blooms de dinoflagelados, esto está normalmente asociado a una nueva fuente de nutrientes inorgánicos y compuestos orgánicos.

Interacción de las sustancias húmicas con los principales nutrientes

Los nitratos y otras formas de nitrógeno, fosfatos, y silicatos están presentes en el agua del mar en concentraciones que raramente llegan a ser factores limitantes en el crecimiento del fitoplancton. Estos nutrientes principales experimentan una gran variedad de reacciones en la columna de agua. Aunque en muchas de estas reacciones están involucrados compuestos inorgánicos y organismos vivos con sus sistemas enzimáticos, en algunas están involucradas las sustancias húmicas. Se ha visto que la respuesta del crecimiento de los organismos en presencia de ácidos húmicos es independiente de los principales nutrientes. Las sustancias húmicas no parecen contribuir como fuente de nitrógeno y de fósforo.

Nitrógeno

Generalmente, las concentraciones de nitrato son diez veces más altas que las de amonio. Los nitratos experimentan muchas transformaciones, sin embargo, pocas de estas reacciones tienen que ver con las sustancias húmicas. El amonio si reacciona con las sustancias húmicas y con otros compuestos orgánicos, uno de los mecanismos conocidos es el intercambio catiónico. El amonio retenido a través de este mecanismo es fácilmente intercambiado cuando es requerido por la nutrición del fitoplancton. Además deben de existir otros mecanismos de reacción en la interacción de compuestos de amoníaco y sustancias húmicas, porque ocurre que el amonio reacciona con materia orgánica de tal manera que su liberación inmediata o disponibilidad está restringida. Los compuestos fenólicos que contienen grupos hidroxilo fenolico o sus productos de oxidación se cree que participan de esta fijación de amonio. Generalmente, la cantidad de amonio que es retenido por la materia orgánica tiene una relación lineal con la concentración de la materia orgánica y es mayor que la cantidad que es fijada por minerales de la arcilla (Jansson, 1971).

Fósforo

La concentración en el agua de mar de formas de fósforo soluble o disponible son generalmente bajas. Las formas solubles rápidamente reaccionan con una gran variedad de iones como cobre, níquel, manganeso, hierro, aluminio, calcio y magnesio y se convierten en fosfatos insolubles que no están disponibles para el fitoplancton. Las sustancias húmicas puede retrasar o modificar esta precipitación ya que forman quelatos con estos iones que así no están disponibles para la formación de fosfatos (Rashid y Leonard, 1973).

Resumen

Las sustancias húmicas juegan un papel importante en la productividad primaria marina y en la fertilidad del mar. No parece haber una relación clara entre el grado de fertilidad y las concentraciones de nutrientes inorgánicos. Se han estudiado varias situaciones en las que a pesar de existir niveles altos de nutrientes inorgánicos, la productividad primaria permaneció baja hasta que las aguas contuvieron cantidades adecuadas de materia orgánica y sustancias húmicas. Estos compuestos estimulan el crecimiento del fitoplancton, lo cual parece que es debido principalmente al intercambio cationico, quelación y otras reacciones químicas entre las sustancias húmicas y los principales nutrientes y los oligoelementos. Los efectos de estas reacciones hacen que los nutrientes estén más fácilmente disponibles. Particularmente importante es la reacción de quelación, cuál incrementa la solubilidad de metales y retrasa su precipitación en un ambiente donde es probable. Además, los oligoelementos están más fácilmente disponibles para el fitoplancton, ya que su tiempo de residencia es aumentado considerablemente.

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SUSTANCIAS HÚMICAS EN EL MAR