Informe presentado como parte de los requisitos para optar al título de Ingeniero Agrónomo




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2.7. Fraccionamiento químico



Los procedimientos para el fraccionamiento químico de la MOS, se basan en la extracción de la MOS en soluciones acuosas con y sin electrolitos, en disolventes orgánicos que tienen la capacidad de hidrolizar la MOS con agua o ácidos, y en la resistencia de la MOS a su oxidación. Otros procedimientos de fraccionamiento químico se basan en la destrucción de las diferentes fases minerales. El fraccionamiento químico proporciona fracciones orgánicas libres de minerales (Six et al., 2002).

2.7.1. Materia orgánica disuelta (MOD)



La (MOD), es definida como la MOS en solución < 0,45 µm. Diferentes extractos son usados para obtener MOD, desde agua fría a soluciones acuosas de diferente fuerza iónica que simulan la solución del suelo. La centrifugación también puede ser usada para obtener MOD desde diferentes tamaños de poros del suelo (Wardle, 1992).

La MOD corresponde a la MOS que va desde pequeñas moléculas a sustancias coloidales. La relación hexosa:pentosa es empleada para determinar el origen predominantemente microbial de los hidratos de carbono orgánico disuelto (COD) obtenido de los distintos horizontes del suelo (Guggenberger et al., 1994; Haynes y Beare,1997; Huang et al., 1998). Aunque la MOD representa un sustrato lábil por actividad microbial (Burford y Bremner, 1975), sólo el 10-40 % del COD se ha observado como fácilmente degradable (Haynes, 2005; Kalbitz et al., 2003, Marschner y Kalbitz, 2003).

2.7.2. Biomasa microbial del suelo



La biomasa microbial del suelo regula todas las transformaciones de la MOS y es considerada el componente principal del pool activo de la MOS (Smith y Paul, 1990). El único método directo para estimar el tamaño del pool de la materia microbial del suelo (BMC), así como su composición isotópica corresponde al método de fumigación con cloroformo (Jenkinson, 1976; Vance et al., 1987b). Aspecto clave para la cuantificación de BMC, es la calibración del factor kc, el cual describe la proporción de biomasa liberada durante 24 h. de fumigación con cloroformo.

Generalmente BMC representa entre el 0,3 % y el 7 % de COS (Wardle, 1992). En ecosistemas forestales el BMC se encuentra en rangos desde 0,5 – 0,9 % en el horizonte O y entre 1,6 – 3,6 % en el horizonte A. La estrata superficial de los suelos agrícolas presenta un rango de BMC entre 0,3 – 4,0 %.

2.7.3. MOS soluble en álcalis y ácidos: ácidos fúlvicos, ácidos húmicos y la fracción huminas



Las definiciones clásicas se basan en las propiedades de solubilidad. La extracción de sustancias húmicas con NaOH y Na4P2O7 son populares ya que se extrae gran cantidad de material húmico en la mayoría de los suelos (Stevenson, 1994); estas cantidades son sensibles al tipo de suelos (Olk, 2006).
Las sustancias húmicas son estabilizadas por procesos de humificación y se las considera refractaria, por lo tanto pertenecen al pool pasivo de MOS (Hayes y Clapp, 2001). La fracción de ácidos fúlvicos es soluble en álcali (por ejemplo NaOH 0,1 M Na4P2O7) y soluble en ácido (por ejemplo HCl). La fracción de ácidos húmicos es soluble en álcali e insoluble en ácido. La fracción humina es insoluble en alcali (Stevenson, 1994).
Durante la extracción con NaOH, los puentes de H dentro de la MOS son reemplazados por Na, provocando la solubilización de MOS y también una reordenación de las asociaciones orgánicas (Piccolo, 2002). La desorción MOS es promovida por la competencia de los iones de hidróxido con los grupos aniónicos de la MOS por sitios de adsorción en las superficies minerales e inducidas por los cambios de pH en la disociación de grupo funcionales. Los enlaces entre cationes polivalentes - MOS y los minerales del suelo no se ven afectados por la acción del NaOH y son interrumpidos sólo por la extracción con Na4P2O7 (Schnitzer, 1978).
La extracción con Na4P2O7 se propuso a pH 7 para obtener la fracción de MOS ligada a minerales de arcilla por enlaces metálicos y MOS complejada por cationes polivalentes, sin remover Fe ni Al desde los materiales parentales del suelo (Alexandrowa, 1960). El NaOH extrae hasta 80% de la MOS, mientras que la extracción con Na4P2O7 es usualmente menos eficiente ya que extrae hasta un 30 % de MOS (Kononova, 1966; Stevenson, 1994).


2.7.4. Disolventes orgánicos




Se han realizado numerosos intentos para extraer ácidos húmicos con solventes orgánicos. Alcanos y ácidos grasos que son considerados compuestos recalcitrantes de C del suelo pueden ser extraídos por repetidas extracciones de MOS con n-hexano (Schnitzer y Schuppli, 1989). El Cloroformo fue propuesto para la extracción de grasas, ácidos, alcoholes de cadena larga y ésteres de cera (Schnitzer y Schuppli, 1989).
El C alquílico como estructura característica de material no extraíble con solvente (e.g., cutina, suberina), los lípidos y ceras representan alrededor del 25 % de MOS en la superficie (Mahieu et al., 1999). Los lípidos ascienden a un 2,6 % de la MOS y se asume que son muy importantes para la estabilización de la MOS (Baldock et al., 2004; Derenne y Largeau, 2001; Zacarías et al., 1985).
Los lípidos están involucrados en diversos mecanismos de estabilización, como por ejemplo recalcitrancia debido a enlaces C-C, o inaccesibilidad espacial debido a la agregación, encapsulación, intercalación, hidrofobicidad e interacción con superficies (Von Lützow et al., 2006).

2.7.5. Hidrólisis de MOS



La MOS es extraíble con agua caliente, técnica que se utiliza con frecuencia. (Davidson et al., 1987; Henriksen y Breland 1999b. Korschens et al., 1990). Leinweber et al. (1995) demostró que con agua caliente se extrae la MOS compuesta por hidratos de carbono y compuestos que contienen nitrógeno, en particular, amino-N y amidas, entre otros, probablemente originados de células microbianas desecadas (Haynes, 2005). Debido a que muchos de los componentes de estos extractos se volatilizan a temperaturas relativamente bajas durante la pirrólisis, Leinweber et al. (1995) llegó a la conclusión de que estaban en la solución del suelo o débilmente adsorbido en las superficies de minerales o macromoléculas húmicas. La extracción en agua caliente de MOS parece ser un valioso y rápido indicador de las estimaciones de los componentes lábiles de la MOS (Henriksen y Breland, 1999b; Körschens et al., 1990).
La Hidrólisis ácida (reflujo con HCl 6 M o digestión química paso a paso con H2SO4 en frío y caliente) elimina con eficacia los de hidratos de carbono y proteínas mediante la ruptura de la unión hidrolítica, dejando intacto los materiales biológicamente recalcitrantes (Goering y Van Soest, 1970; Leavitt et al, 1996; Martel y Pablo, 1974; Scharpenseel y Schiffman, 1977; Schnitzer, 1978; Trumbore et al., 1989). Mientras que la hemicelulosa es hidrolizable con HCL 2%, la celulosa cristalina es hidrolizable sólo H2SO4 al 80 % (Waksman, 1938). Sin embargo la lignina siempre ha quedado como residuo de la hidrólisis ácida. La resistencia a la hidrólisis ácida no está limitada a la lignina, sino que es una propiedad común de la mayoría de los polímeros orgánicos más recalcitrantes como suberina, cutina y ceras. Los cationes polivalentes que participan en la floculación y microagregación de las arcilla son también eliminados por el tratamiento con ácido, representando MOS soluble ocluida y complejada (Oades, 1988).

2.7.6. Oxidación de la MOS



La MOS se oxida con permanganato de potasio (KMnO4), este compuesto ha sido propuesto como un reactivo oxidante simulando la descomposición enzimática de la MOS, que en gran medida es también un proceso de oxidación (Bell et al., 1999; Blair et al, 1995; Lefroy et al., 1993). Este método permite la determinación de C lábil y, a través de la diferencia con C total, obtener el C no lábil. Según Blair et al., 1995, entre el 13-28 % de C orgánico puede ser oxidado con KMnO4. Azúcares, aminoácidos y otros ácidos orgánicos reaccionan lentamente con KMnO4, mientras que los compuestos que tienen grupos glicol se oxidan rápidamente. El permanganato no oxida celulosa, pero el C proveniente de abonos orgánicos y residuos vegetales oxidable con KMnO4 correlaciona con el contenido de lignina, (Ladha, 2004).
Numerosos esquemas de fraccionamiento se han desarrollado para separar y analizar la MOS, entre los que se pueden citar:

        1. Fotooxidación con energía ultravioleta (UV)



La oxidación de la MOS en la superficie de los agregados con UV propuesta por Skjemstad et al., 1993, ha sido empleada para separar el pool pasivo del pool activo de la MOS. La Fotooxidación con UV requiere formación de radicales libre en la MOS esto gracias a la luz y posterior reacción con el oxígeno (Skjemstad et al., 1993).

2.7.6.2 Degradación oxidativa de la MOS con peroxido de hidrogeno (H2O2)



La oxidación húmeda con H2O2 se ha sugerido para eliminar la MOS accesible a exoenzimas (grupo activo de la MO). Este método comparado con la oxidación con NaOCl y Na2S2O8, es menos eficaz en la eliminación de la MOS en el horizonte A, debido a su menor efecto en la dispersión en los micro agregados de arcilla (Mikutta et al., 2005; Simon y Hatcher, 1992).
        1. Degradación oxidativa de la MOS con peroxido-disulfato de sodio



El peroxido-disulfato de sodio (Na2S2O8) ha sido reportado como un oxidante eficiente para MOS, que no afecta arcillas, minerales ni óxidos de Fe. La eficiencia de peroxido-disulfato de sodio ha demostrado ser superior a la extracción con H2O2 y NaOCl (Meier y Menegatti, 1997; Menegatti et al., 1999). Permite caracterizar el pool de MOS estabilizada por las interacciones con la matriz mineral, pero es sólo de tipo cualitativo.

        1. Degradación oxidativa de la MOS con hipoclorito de sodio (NaHClO).



El uso de NaHClO fue propuesto por Anderson 1963, extrae la MOS al realizar análisis mineralógico de arcillas posteriormente. También se usa como un agente blanqueador en materiales húmicos de aguas potables (Kaiser y Guggenberger, 2003; Kaiser et al., 2002 a; Mikutta et al., 2005; Siregar et al., 2005). Se ha observado que este método extrae la MOS mas joven dejando un residuo estable.

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