Chimia mediului

Chimia solurilor

1. Definitia, structura, compozitia chimica si proprietatile solului

Definitie

Conform DEX-ului - solul - reprezinta stratul superior al scoartei terestre, care se caracterizeaza prin fertilitate si pe care cresc plante; pamant.

Solul - reprezinta formatiunea naturala cea mai recenta de la suprafata litosferei.

Structura

Solul este alcatuit dintr-o succesiune de straturi, numite orizonturi asa cum e prezentat in figura 1, care s-au format si se formeaza permanent prin transformarea rocilor ca urmare a unor procese chimice fizice si biologice.

Figura 1. Reprezentarea orizonturilor proprii solului

Orizonturile sunt rezultatul unor procese complexe. Rocile sufera procese de dezagregare sub actiunea factorilor de mediu ca vant, ploaie, ger, schimbari rapide de temperatura si sunt transformate in fragmente mici. Apa de ploaie percoland (filtrand) prin sol poarta cu ea catre orizonturile mai joase solidele dizolvate sau cele in stare coloidala unde acestea sunt depozitate. În sol s eproduc procese biologice ca descompunerea bacteriana a biomasei reziduale rezultata din plante. În urma acestor procese rezulta dioxid de carbon slab acid, acizo organici si compusi de complexare. Acestea sunt purtati si ei de apa de ploaie catre orizonturile de jos unde interactioneaza cu argilele si cu alte minerale alterand proprietatile acestora.

Stratul de varf a solului, cu grosimea de cativa centimetri este cunoscut si drept orizontul A sau solul de varf si este stratul cu activitate biologica maxima ce contine majoritatea materialului organic al solului. În acest strat de humus se petrec procesele specifice vietii (asimilatie-dezasimilatie, sinteza-descompunere, inmagzinare-eliberare de energie). Avand o compozitie chimica complexa si o structura poroasa, solul poate fi strabatut usor de radacinile plantelor. De asemenea, solul retine apa si aerul, componente necesare desfasurarii proceselor biochimice.

Solul reprezinta colectorul final al tuturor aporturilor naturale sau antropogene. Cu exceptia cazurilor in care este poluat excesiv, solul regreaza compozitia chimica a apelor proaspete asigurand un mediu corespunzatot pentru desfasurarea vietii acvatice.

Principalele etape ale formarii solului sunt urmatoarele: alterarea fizica sau dezagregarea, alterarea chimica, alterarea bilogica, instalarea si dezvltarea biocenozelor proprii, formarea si acumularea humusului.

Compozitia chimica a solului

Toate solurile sunt formare din patru componenti principali (figura 2.): aer, apa, particule minerale, material organic, repartizati in trei faze: solida, lichida, gazoasa. Aceste faze, respectiv componenti se intrepatrund si se influenteaza reciproc asigurand mediul natural de crestere si dezvoltare a plantelor.

Figura 2. Raportul dintre constituentii de baza ai solurilor

a)     Faza solida a solului

Aproape o jumatate sau chiar 2/3 din volumul solului reprezinta materia aolida. Din acest material, aproximativ 90% este constituit din compusi minerali (anorganici) si doar 10% este materie organica.

Compozitia minerala a solului   

Compozitia chimica a componentei minerale variaza de la un sol la altul in functie de rocile de origine, de tipul de sol, de varsta solului, de vegetatie, clima, tehnologia de cultura (sol irigat, neirigat, ingrasat, neingrasat).

Analiza chimica a componentei minerale arata faptul ca in afara de siliciu si oxigen, elementul cel mai frecvent este aluminiul dupa care urmeaza: Mg, Fe, Ca, Na, K.

Numai cateva elemente care intra in alcatuirea litosferei se gasesc in stare nativa: Au, Ag, Pb, S, C etc., cele mai multe dintre ele se prezinta sub forma de combinatii chimice (minerale).

Din totalul de peste 3000 de minerale cunoscute in scoarta terestra, numai 100 sunt mai raspandite. În functie de compozitia lor chimica si structura cristalina, mineralele au fost grupate in 4 clase:

Ø     sulfuri - cuprind combinatii ale sulfului cu diferite metale sau metaloizi, reprezentand impreuna cu sulfatii 0,3 - 0,4% din greutatea litosferei. Cele mai raspandite sunt: pirita - FeS₂, blenda - ZnS, galena - PbS,

Ø     halogenuri - reprezinta aproximativ 0,5% din greutatea litosferei si formeaza combinatii ale halogenilor cu diferite metale. Cele mai frecvente sunt: sarea gema - NaCl, fluorina - CaF₂, silvina - KCl,

Ø     oxizi si hidroxizi constituie 17% din greutatea litosferei, iar cei mai raspanditi sunt: oxizii de siliciu (cuart, opal,si silex), oxizii d efier, aluminiu si mangan,

Ø     saruri oxigenate - cuprind saruri naturale ale acizilor oxigenati: azotati (salpetru de Chile - NaNO₃ si salpetru de India - KNO₃), carbonati (calcit si aragonit - CaCO₃, magnezit - MgCO₃, dolomita - CaMg(CO₃)₂), sulfati (anhidrit - CaSO₄, gips - CaSO₄*2H₂O), silicati (oliviva, turmalina, amfiboli, feldspat), fosfati (apatit - Ca₅[(PO₄)₃(F, Cl sau OH)], vivianit - Fe₃(PO₄)₂*8H₂O), saruri in general solubile in apa din sol.

Componenta cea mai activa din substratul mineral este partea coloidala. Coloizii de natura minerala sunt reprezentati in special de argila si sunt caracterizati printr-o capacitate de absorbtie foarte ridicata.

Compozitia organica a solului

Materia organica a solului, reprezinta mai putin de 5% din cele 4 substante componente ale solului si este formata dintr-un amestec comlex de substante de proveniente diferite.

Principalele componente ale materiei organice a solului pot fi clasificate in urmatoarele grupe (figura 3):

- celuloza si hemicelulore,

lignina si derivati,

proteine,

aminoaacizi si zaharide,

ceruri si pigmenti.

Figura 3. Compozitia aproximativa a reziduurilor de plante

În practica se considera ci materia organica a solului are doua componente: humusul si biomasa.

Biomasa este constituita din substante nehumice (lignina, celuloza), resturi de radacini din diferite trepte de descompunere, resturi de origine animala (viermi, nevertebrate, protozoare), plasma bacteriilor, ciupercilor, actinomicetelor, produsi de metabolism, unii acizi organici eliminati de plante.

Celuloza justifica frecvent mai mult de jumatate din reziduul de carbon al plantelor fiind in acelasi timp componentul major al peretilor celulelor de alge si fungi.

În conditii aerobe celuloza poate fi descompusa pana la CO₂, iar in conditii anaerobe sunt generati adesea alcooli organici, cum este alcoolul etilic:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ 6CO₂ + 6H₂O + energie

C₆H₁₂O₆     2CH₃ - CH₂OH + 2CO₂ + energie

Celuloza este un polimer care contine numai unitati de glucoza. Procesul de descompunere a acestui polimer prin contributia sistemului de enzime celulazice implica pierderea structurii semicristaline a celulozei, ceea ce inseamna "conditionarea" moleculei, urmata de depolimerizare si oxidarea ulterioara a unitatilor individuale de glucza.

Lignina este cel mai rezistent component al resturilor de plante intrate in sol si al treilea ca abundenta, dupa celuloza si hemiceluloza. Lignina este un polimer neuniform complex, cu nucleu aromatic, in care unitatea monomera are o structura de tip fenil-propan.

Multe microorganisme ale solului pot degrada unele componente ale moleculei de lignina dar numai un numar doarte limitat pot degrada intregul ansamblu. Cele mai multe din aceste microorganisme sunt fungii care produc o gama variata de enzime ce includ estraze, fenolaze si peroxidaze.

Toata materia organica din sol, indiferent daca se prezinta sub forma de resturi de plante, animale, microbi, proaspete, partial descompuse sau forme mai rezistente, este preluata de componenta microbiana a biocenozei solului. Masa microbiana este "motorul" ce asigura ciclizarea carbonului, azotului, fosforului si sulfului. Aceste elemente care alcatuiesc bazele tesutului celular sunt absorbite initial, ca simple specii anorganice, d ecatre formele de viata inferioare si sunt apoi transformate in constituenti organici, in interiorul celulei. Moartea si descompunerea ulterioara a tesuturilor vii elibereaza ioni anorganici, asigurand astfel reluarea ciclului.

Humusul rezulta din biomasa ca urmare a unor procese complexe biologice, chimice si biochiice.

Humusul reprezinta totalitatea materiei organice din sol, cu exceptia materialelor identificabile ca biomasa nealterata sau partial alterata (parti de plante si microorganisme). El cuprinde biomoleculele (ex. acizi carboxilici, aminoacizi, peptide, carbohidrati) precum si substante humice. Substantele humice sunt compusi din humus care nu sunt sintetizati direct pentru a sustine ciclurile de viata ale biomasei solului. În termeni specifici, substantele humice sunt polimeri produsi prin actiune microbiana si care difera de biopolimeri datorita structurii lor moleculare si a persistentei indelungate in sol. Substantele humice alcatuiesc asa numita materie organica protejata chimic.

Substantele humice se impart in trei fractiuni: acizi humici, acizi fulvici si humine.

Cea mai studiata fractiune este cea a acizilor humici. Acizii humici au o masa moleculara mare intre 10.000 si 100.000 si culoare brun-inchis, culoare pe care o imprima si orizontului de sol in care sunt prezenti. Acizii humici contin o proportie insemnata d ecarbon si oxigen (50% C si 40% O), alaturi de hidrogen (apox. 5%), azotaprox. 3%, fosfor si sulf (ambele mai putin de 1%). Compozitia elementala a acidului humic corespunde formulei: C₁₈₇H₁₈₆O₈₉N₉S, iar structura lui este de tip polifenolic, grefata cu grupe functionale carboxil, hidroxil (aromatic si alifatic), amidice si carbonilice.

Fractia acizilor fulvici nu a fost atat de intens studiata ca cea a acizilor humici. Acizii fulvici au culoare galbena, amsa moleculara inferioara acizilor humici (200 - 9000), sunt solubili in apa si acizi minerali, contin mai putin carbon si azot decat acizii humici, dar mai mult oxigen.

Cea mai putin studiata este fractia reprezentata de humina care este insolubila in mediu alcalin si acest lucru se explica prin dificultatea obtinerii de humina pura, libera de impuritati anorganice. Humina este formata din resturi de lignina nehumificata, din polizaharide si glucide, rezultate din descompunerea celulozei precum si din acizi humici invechiti, insolubilizati in timp adica in mii de ani. Structura huminei este similara cu cea a acizilor humici, doar ac ea contine mai putin azot (aproape 1/3), iar solubilitatea huminei se explica prin legarea unor impuritati minerale si nu prin diferente structurale fundamentale intre humina si celelalte fractiuni ale humusului.

Substantele humice au insusiri de a adsorbi si retine apa, marind afinitatea solului pentru apa. Humusul impreuna cu partea minerala aflata in stare coloidala (argila) formeaza complexul adsorbtiv al solului, complexul argilo-humic.

Acizii care intra in compozitia humusului dau cu diferiti compusi minerali bazici (de Ca, Mg, Na, K, etc) saruri sub forma de humati. Humatii de calciu si magneziu sunt insolubili in apa, se acumuleaza si ajuta la formarea structurii stabile a solului care, la randul lui, duce la cresterea permeabilitatii pentru aer si apa.

Humusul reprezinta o sursa de azot pentru nutritia plantelor. Descompunerea materiei organice a solului este strans legata de activitatea organismelor vii din sol.

Concluzie: sub actiunea microorganismelor, in anumite conditii de temperatura si aeratie, humusul este transformat treptat pana la combinatii minerale simple. În acest fel carbonul este oxidat si transformat la CO₂, imbogatind continutul gazelor din sol sau dizolvandu-se in apa, constituie la solubilizarea diferitilor compusi din sol. În acest mod azotul legat destul d eputernic in componentele humusului este mineralizat pana la amoniac si intra in ciclul biologic datorita proceselor microbiologice.

b)         Faza lichida a solului denumita impropriu si solutia solului, este alcatuita din apa din sol, ce contine saruri minerale dizolvate, compusi organo-minerali si organici, gaze si particule coloidale. O parte din acestia provin din procesele chimice si biochimice din sol, iar alta parte prin schimb cu hidrosfera si biosfera.

Faza lichida a solului este mediu pentru transportul speciilor chimice la si de la particulele de sol si asigura un contact intre substantele dizolvate si particulele de sol. Asigura apa necesara pentru cresterea plantelor si reprezinta o cale metabolica pentru schimbul de nutrienti ai plantelor intre radacini si solul solid. Apa este eliberata in frunzele plantelor, proces numit transpiratie.

Din punct de vedere al apei continute in sol pot fi deosebite urmatoarele straturi:

1. stratul superficial care controleaza infiltrarea apei rezultata in urma ploilor din topirea zapezilor, din evaporarea umezelii pe timp secetos respectiv controleaza scurgerile de apa de pe suprafata solului;
2. stratul superior este stratul purtator de apa si coincide cu zona radacinilor plantelor;
3. apele subterane, dupa pozitia fata de nivelul terenului ele s eclasifica in: apa freatica cantonata in primul orizont acvifer de sub nivelul terenului si apa de adancime care se gaseste in roci permeabile situate sub cel putin un strat impermeabil. În actegoria apelor subterane mai intra si apele de zacamant, care satureaza rocile din zona acvifila a unui zacamant de petrol sau gaz si se caracterizeaza printr-o mineralizare puternica, in jur de 50 - 250 g saruri la litru si o greutate specifica ridicata.

Anotimpurile au o mare insemnatate pentru circuitul apei in sol si pentru schimbul de umezeala cu mediile invecinate. În perioada iarna-primavara predomina scurgerea de suprafata. În perioada de toamna, de la sfarsitul vegetatiei acvatice, pana laa inghetarea solului, are loc cea mai intensa trecere a umezelii prin profilul solului. În perioada de vara, perioada maxima de vegetatie a plantelor, perderile de umezeala din sol sunt considerabile din cauza evaporarii si transpiratiei.

Unul din cei mai importanti factori antropogeni de actiune asupra solului este incalcarea bilantului de apa. Acesta se datoreaza de obicei taierii padurilor irigatiilor incorecte (irigatii in pamant fara hidroizolare, fara drenaj, irigare cu apa mineralizata), ca si altor actiuni care micsoreaza stabilitatea solului. Prin incalcarea regulilor de constructie sau de exploatare a sistemelor de irigare se produce salinizarea secundara, mlastinirea pamantului, degradarea solurilor.

Salinizarea secundara reprezinta procesul de acumulare a sarurilor daunatoare plantelor (sulfat de sodiu, carbonati de magneziu si de calciu, clorura de sodiu) in straturile superioare ale solului, in depresiunile fara scurgere. Salinizarea s eproduce din cauza ca apele subterane sunt mineralizate iar ridicarea lor prin irigare duce la acumularea sarurilor in profilul solului. Deosebit d epericuloasa este salinizarea livezilor. Procesul determina o crestere brusca a pH-ului solutiei solului pana la 9 - 11 si totodata mareste labilitatea substantei organice si agraveaza starea structurala a solurilor.

Pentru irigare trebuiesc folsite ape cu conc. sarurilor de pana la 1 g/l.

c) Faza gazoasa a solului sau aerul solului este un amestec de gaze in principiu a fel ca aerul atmosferic. Totusi datorita activitatii biologice, compozitia aerului din sol poate sa difere considerabil de cea a aerului atmosferic. Aerul solului are un continut mai amre de CO₂ decat aerul atmosferic.

În atmosfera uscata, normala, la nivelul marii,a erul are un continut de 21%O₂ si 0,03%CO₂ in volume,a dica 0,210 ml O₂/l aer, respectiv, 0,03 ml CO₂^/l.

În aerul din sol, nivelul este intre 3 - 30 ml CO₂/l, dar poate ajunge la 100 ml CO₂/l fapt care are un impact deosebit atat asupra aciditatii solului (pH scazut) cat si asupra chimiei carbonatilor. Acest pH scazut contribuie la degradarea rocilor de carbonati, in special a carbonatului de calciu. CO₂ deplaseaza si echilibrul proceselor prin care radacinile absorb ionii metalici din sol.

Aerul din sol contine concentratii variabile de NO, N₂O, NH₃, CH₄ si H₂S provenite din sctivitatea microorganismelor in conditii anaerobe.

Toate aceste gaze ocupa spatiul poros dintre particulele (granulele) fazei solide, in competitie cu apa din sol.

Solul are capacitatea de a retine fizic (absorbtie nepolara) atat substante gazoase cat si substante dispersate molecular in apa.

Proprietatile fizice ale solului

a)     Densitatea solului

masa unitatii de volum a fazei solide;

este influentata de constituentii sai si mai ales de proportia cu care acestea intra in alcatuirea masei solului. Constituentii minerali imprima o densitate mai amre pe cand cei organici micsoreaza valorile acesteia.

prezinta o densitate aparenta medie (1,3 g/cm³) si una specifica medie (2,65 g/cm³).

b)     Permeabilitatea

este proprietatea solului de a fi strabatut de aer si apa;

cu cat solul contine o cantitate mai mare de aer cu atat procesele biologice care se petrec in sol sunt mai active si cu atat solul este mai salubru;

pentru apa este influentata atat de granulometrie cat si de porozitate;

solurile cu porozitate mica (pietris, nisip) sunt foarte permeabile, ele fiind strabatute usor de apa;

solurile cu porozitate mare (argila, turba) sunt mai putin permeabile ele retin apa si sunt greu strabatute de apa;

cu cat porozitatea unui sol este mai mare cu atat retinerea apei in porii solului este si ea mai mare; nisipul are o porozitate de aproximativ 35%iar argila de peste 65%.

c)     Capilaritatea

reprezinta capacitatea solului de a permite apei subterane sa se ridice prin porii sai catre straturile superficiale;

este invers proportionala cu permeabilitatea;

cu cat solul este mai permeabil pentru apa, cu atat capilaritatea este mai redusa, ea fiind dependenta de primul rand de porozitate.

d)     Selectivitatea (filtrabilitatea)

reprezinta capacitatea solului de a retine in porii sai diferite impuritati care il strabat;

se bazeaza pe fenomene de adsorbtie a impuritatilor, la nivelul granulelor de sol;

este una din cele mai importante calitati ale solului, prin acre se realizeaza protectia apelor subterane.

e)     Temperatura

prezinta variatii continui, sub influenta conditiilor cliamtice care determina intensitatea schimburilor energetice intre sol si atmosfera;

conditiile climatice si in primul rand intensitatea adiatiilor solare variaza ciclurile periodice (zilnice si lunare).