Chất hữu cơ của đất

34
Chương 3
CHẤT HỮU CƠ CỦA ĐẤT
3.1 Khái niệm chung về chất hữu cơ của đất
Chất hữu cơ đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự hình thành đất và độ phì nhiêu
của đất. Toàn bộ các hợp chất hữu cơ có trong đất được gọi là chất hữu cơ của đất. Chất này
bao gồm các tàn dư hữu cơ (xác thực vật, động vật không hoàn toàn giữ được cấu trúc ban
đầu), các chất hữu cơ riêng biệt có bản chất đặc trưng hoặc không đặc trưng. Vai trò của các
hợp chất hữu cơ lớn đến mức vấn đề chất hữu cơ của đất luôn chiếm một trong những vị trí
trung tâm của thổ nhưỡng học lý thuyết và thổ nhưỡng học thực hành.
Phần hữu cơ của đất bao gồm các chất có liên quan với nhiều loại hợp chất khác nhau
về thành phần hoá học và cấu tạo. Đóng vai trò quan trọng nhất trong chúng là các hợp chất
mùn đặc trưng và các hợp chất không đặc trưng: lignin, flavonoit, protit, gluxit, lipit, sáp,
nhựa, các axit nucleic, các sản phẩm chuyển hoá và phân giải của các hợp chất kể trên và nhiều
chất có phân tử nhỏ: hydrocacbon, rượu, axit...
Như chúng ta đã biết, nguồn gốc chủ yếu của chất hữu cơ trong đất là các tàn dư thực
vật, ngoài ra còn có các tàn dư động vật. Thành phần hoá học của các tàn dư hữu cơ khác
nhau đều có một nét chung, mặc dù hàm lượng của các thành phần dao động trong một phạm
vi rộng. Gluxit (xelluloza, hemixelluloza, các chất pectin), lignin, protit, lipit chiếm đa số (bảng
3.1), các chất còn lại chiệm một lượng tương đối nhỏ.
Bảng 3.1 Thành phần hoá học của các sinh vật, % khối lượng chất khô (theo L.A.
Grishina, 1986)
Đối tượng Tro Protit
và các
hợp
chất
chứa
đạm
Gluxit
Mono
và oligo

sacarit
Xellu-
loza
Các
gluxit
khác
Lipit Arena
Tanin và
flavo-
noit
Lignin
Vi khuẩn 2-10 40-70 3-4 0 20-25 15-25 0 0
Nấm 5-7 35-40 3-4 0 25-30 20-25 0 0
Tảo 20-30 10-15 3-5 0 50-60 1-3 0 0
Địa y 1-5 2-4 3-5 8-10 50-70 1-3 1-2 8-10
Rêu 3-8 8-10 10-12 12-25 30-50 7-8 15-20 0
Cây lá kim:
lá 1,5-3,
0
8-10 10-15 28-30 22-27 10-15 10-15 4-6
thân 0,1-0,
5
0,5-1,0 2-3 40-45 20-25 3-5 12-15 25-30
rễ 1,0-1,
5
2-3 2-3 34-37 25-35 4-5 5-8 20-25
Cây lá rộng:
lá 5-10 8-12 9-15 15-25 20-25 3-6 15-20 1-2
thân 0,5-1,
0

1-2 2-3 45-50 2-25 4-6 10-12 20-22
Cây họ hoà thảo 5-7 10-12 10-12 30-32 30-35 8-10 2-4 6-10
35
Cây họ đậu 5-10 20-25 2-5 0-22 25-30 3-5 2-3 5-6
Rễ cỏ 4-6 3-4 2-3 30-35 20-25 3-5 10-12 ~20
Động vật:
kh. xương
sống
5-10 30-50 6-10 0 10-30 20-50 1-2 0
có xương
sống
8-10 30-40 8-10 0 8-10 30-40 1-2 0
Sau khi chết, xác các sinh vật hoặc đưa vào trong đất hoặc ở trên bề mặt đất sẽ bị phân
giải hoặc chuyển hoá thành các chất mùn đặc trưng. Một phần nhất định của tàn dư bị mang đi
khỏi đất cùng với dòng chảy bề mặt hoặc dòng chảy theo chiều sâu. Trong quá trình chuyển
hoá các tàn dư nhiều hợp chất hữu cơ mới không có mặt trong các nguyên liệu ban đầu, ví dụ
như các hydrocacbon đơn giản nhất, được hình thành..
Thành phần chất hữu cơ của đất rất đa dạng, còn hàm lượng của từng hợp chất hoặc
nhóm hợp chất thay đổi từ vài phần trăm đến số lượng vết.
Phần hữu cơ của đất là khái niệm chung nhất, bao gồm tất cả các chất hữu cơ có trong
phạm vi phẫu diện đất, hoặc ở trạng thái tự do hoặc ở dạng các hợp chất hữu cơ-vô cơ, trừ
những hợp chất là thành phần của các cơ thể sống. Khái niệm này đồng nghĩa với thuật ngữ
thường được sử dụng - "chất hữu cơ của đất". Tất cả các chất hữu cơ theo nguồn gốc phát
sinh, đặc điểm và chức năng được chia thành hai nhóm lớn: tàn dư hữu cơ và mùn. Tàn dư hữu
cơ bao gồm xác sinh vật chưa bị phân huỷ cấu tạo ban đầu của mình; ở các tầng A1 - C phần
này chủ yếu là tàn dư của rễ thực vật. Chính thành phần này trong đất tham gia vào quá trình
mùn hoá để tạo thành các chất mùn đặc trưng.
Phần hữu cơ của đất được nghiên cứu riêng với phần vô cơ và các sinh vật. Điều đó
không có nghĩa là các thành phần hữu cơ và vô cơ tồn tại riêng rẽ trong đất. Hơn thế nữa, phần
lớn các chất mùn trong đất liên kết với các cation kim loại, các oxit, hydroxit hoặc các silicat

để hình thành các hợp chất hữu cơ-vô cơ là các muối đơn giản, muối phức, các phức chất hấp
phụ (sẽ nghiên cứu ở phần sau).
Các chất mùn đặc trưng cùng với các hợp chất không đặc trưng ở trạng thái tự do hoặc
ở dạng các chất hữu cơ-vô cơ hình thành mùn đất. Mùn là tổng hợp tất cả các chất hữu cơ có
trong đất nhưng không có trong thành phần của các sinh vật hoặc các hợp chất vẫn giữ nguyên
cấu tạo ban đầu, không tham gia vào cấu tạo mô của các tàn dư này. Vì vậy, mùn bao gồm các
hợp chất hữu cơ riêng lẻ (trong đó có các hợp chất đặc trưng), các sản phẩm tương tác của
chúng cũng như các hợp chất hữu cơ tồn tại ở dạng các hợp chất hữu cơ-vô cơ.
Trong thành phần mùn người ta chia ra các chất mùn đặc trưng (các chất mùn theo
đúng nghĩa của nó), các hợp chất hữu cơ không đặc trưng và các sản phẩm trung gian của quá
trình phân giải và mùn hoá (bao gồm các sản phẩm của các quá trình thuỷ phân, oxi hoá, khử
metoxyl của lignin, protit, gluxit, những sản phẩm này không được xem là các chất mùn đặc
trưng nhưng cũng không phải là các hợp chất hữu cơ riêng lẻ đặc trưng cho sinh vật).
Cần thiết phải tách trong thành phần mùn ra các chất mùn đặc trưng và các hợp chất
không đặc trưng vì các axit mùn và humin là sản phẩm của quá trình hình thành đất. Chúng
được hình thành và tích luỹ trong đất, hàm lượng và các đặc tính của chúng phản ánh các điều
kiện của quá trình hình thành đất. Đây là sản phẩm đặc trưng của quá trình hình thành đất, vì
vậy người ta gọi chúng là các chất đặc trưng. Ngược lại, các hợp chất không đặc trưng được
tổng hợp trong các sinh vật và đưa vào đất trong thành phần của các tàn dư thực vật và động
vật.
36
Dưới đây sẽ trình bày các hợp chất hữu cơ không đặc trưng và các axit mùn quan trọng
nhất có mặt trong đất tham gia vào quá trình hình thành đất và tạo nên độ phì nhiêu đất.
3.2 Các hợp chất hữu cơ không đặc trưng (các phân tử sinh học) trong đất
Các hợp chất không đặc trưng là nhóm các chất hữu cơ rất quan trọng; trong đó bao
gồm nhiều chất phổ biến trong sinh hoá được đưa vào đất từ các tàn dư thực vật, động vật bị
phân giải, hoặc do rễ cây tiết ra...Một phần các hợp chất không đặc trưng có thể được hình
thành do sự phân giải các chất mùn đặc trưng. Ví dụ, các axit mùn dưới tác dụng của các men
có thể bị phân giải thành các axit amin, các đường đơn chuyển vào dung dịch đất. Nhóm này
bao gồm các chất như: lignin, xelluloza, protit, đường đơn, sap, axit béo, ...nghĩa là các thành

phần của mô thực vật và động vật hoặc là thành phần của các chất thải hoạt động sống của
sinh vật. Các hợp chất không đặc trưng có mặt trong đất ở trạng thái tự do hoặc liên kết với
các phần vô cơ của đất. Phần lớn các hợp chất không đặc trưng phản ứng nhanh nhất khi thay
đổi các điều kiện ngoại cảnh, nhiều chất dễ dàng được vi sinh vật đồng hoá và phân giải, vì thế
người ta coi chúng là nguồn hoạt tính của mùn đất.
Bảng 3.2 Các axit hữu cơ béo phổ biến
Tên Công thức hoá học pH
a
Ghi chú: a - Giá trị pH tại đó hầu hết nhóm cacboxyl có xác suất 50 % bị phân ly
trong dung dịch.
Đất là một môi trường chứa đầy các vi sinh vật. 10 g đất phì nhiêu có thể chứa một
lượng vi khuẩn bằng dân số loài người hiện nay. Một kg đất có thể chứa 500 tỷ vi khuẩn, 10 tỷ
xạ khuẩn và khoảng 1 tỷ nấm. Ngoài ra số lượng động vật sống trong đất cũng có thể đạt 500
triệu con trong 1 kg đất. lượng sinh khối của vi sinh vật được tăng thêm bởi lượng rễ thực vật
mà chiều dài của nó ở lớp đất mặt có thể vượt quá 600 km.
37
Vi sinh vật đất đóng vai trò cơ bản trong xúc tác cho các phản ứng oxy hoá khử. Các
dịch do vi sinh vật và rễ thực vật tiết ra đóng vai trò quan trọng đối với độ chua của đất và đối
với chu trình của các nguyên tố vết trong đất. Trong số các dịch này, các axit hữu cơ là đặc
trưng nhất. Bảng 3.2 liệt kê 5 axit hữu cơ béo thường được tìm thấy cùng với hoạt tính vi sinh
vật hoặc hoá học vùng rễ. Các axit này có đặc điểm cấu trúc chung là có chứa nhóm COOH-
nhóm cacboxyl. Nhóm cacboxyl này dễ dàng bị phân ly thành proton trong phạm vi pH bình
thường của đất. Các ion được phân ly ra có thể tấn công các khoáng vật của đất gây ra sự phá
huỷ chúng (phương trình 2.2; 2.3; 2.5) và anion cacboxyl (COO
-
) còn lại có thể hình thành các
phức chất hoà tan với các caction kim loại được giải phóng do quá trình phong hoá khoáng
vật. Nồng độ tổng số của các axit hữu cơ trong dung dịch đất dao động từ 0,01 đến 5 mol
m
-3

, quá lớn so với nồng độ của các nguyên tố vết (£ 1 mmol m
-3
). Những axit này có thời
gian tồn tại trong đất rất ngắn (có thể chỉ hàng giờ), nhưng chúng lại được tạo ra liên tục do
chu trình sống của thế giới vi sinh vật.
Axit formic (axit metanoic) là một axit monocacboxylic được tạo ra do vi khuẩn và
được tìm thấy trong dịch rễ cây ngũ cốc. Axit axetic (axit etanoic) cũng được tạo ra bởi vi sinh
vật đặc biệt dưới điều kiện yếm khí và nó cũng được tìm thấy trong dịch rễ của các loại cỏ và
cây thân thảo. Nồng độ của axit formic và axit axetic trong dung dịch đất dao động từ 2 đến 5
mol m
-3
.
Axit oxalic (axit etandioic) và axit tartaric (axit D-2,3-dihydroxibutandioic) là các axit
Bảng 3.3 Các axit amin phổ biến trong đất.
Tên Công thức hoá học
38
Lysin
Arginin
Glutamic
Alanin
Aspartic
Glyxin
39
dicacboxylic được bài tiết bởi rễ của các cây ngũ cốc; nồng độ của chúng trong dung dịch đất
dao động từ 0,05 đến 1 mol m
-3
. Axit tricacboxylic xitric (axit
2-hydroxypropan-1,2,3-tricacboxylic) được tạo ra bởi nấm và bài tiết bởi rễ thực vật. Nồng độ
của nó trong dung dịch đất < 0,05 mol m
-3

. Ngoài các hữu cơ béo này, dung dịch đất còn chứa
các axit thơm mà đơn vị cấu trúc cơ bản của nó là 1 vòng benzen. Các nhóm cacboxyl (các axit
benzen cacboxylic) hoặc nhóm hydroxyl (các axít phenolic) có thể được liên kết với vòng
benzen này theo cách sắp xếp khác nhau. Nồng độ của các axit này trong dung dịch đất dao
động từ 0,05 đến 0,3 mol m
-3
.
Các axit hữu cơ có công thức hoá học chung R-CHNH
2
-COOH gọi là các axit amin,
trong đó R là một đơn vị hữu cơ như CH
3
. Nồng độ của những axit này trong dung dịch đất
dao động trong khoảng 0,05-0,6 mol m
-3
, có thể chiếm tới 1/2 lượng N trong mùn của đất.
Một số axit amin có số lượng nhiều nhất trong đất được liệt kê ở bảng 3.3. Glyxin và alanin là
các axit amin trung tính, đối với chúng gốc R không chứa cả nhóm cacboxyl lẫn nhóm amin.
Các axit này là trung tính vì nhóm COOH đóng góp điện tích âm do tách một proton, trong khi
nhóm NH
2
đóng góp điện tích dương do nhận một proton để trở thành NH
3
+
. Các axit
Hình 3.1 Cấu trúc của chuỗi xoắn chứa
các đơn vị lặp lại peptit. Các mặt phẳng sẫm
mầu chỉ nhóm amit CONH và các đường đứt
chỉ các liên kết hyđro. G. Sposito, 1984.
trung tính chiếm khoảng 2/3 số axit amin của

đất. Các axit amin mang tính axit là những
axit có gốc R chứa nhóm cacboxyl (axit
aspartic và axit glutamic) và các axit amin
mang tính bazơ là các axit có gốc R chứa
nhóm amin (arginin và lysin) chiếm 1/3 số axit
amin của đất. Các axit amin có thể kết hợp với
nhau theo phản ứng tổng quát:
RCHNH
2
COOH + R’CHNH
2
COOH
= RCHNH
2
CONHCHR’COOH + H
2
O
(3.1)
để hình thành peptit (hình 3.1). Các pep tit có
công thức chung: RCHNH
2
CONHCHR’.
Nhóm này là đơn vị lặp lại cơ bản trong các
protein. Vì nhóm peptit được lặp lại, các
protein là những polyme; vì nước là một sản
phẩm trong phản ứng hình thành peptit
(phương trình 3.1), các protein là những
polyme ngưng tụ đặc biệt của các axit amin.
Các peptit có thành phần và cấu trúc thay đổi
là dạng chủ yếu của các axit amin trong đất.

Chúng tích luỹ trong đất chủ yếu ở dạng phức
với các keo hữu cơ và keo vô cơ.
Một loại polyme sinh học quan trọng
khác có trong đất là các hydratcacbon. Những
hợp chất này có thể chiếm đến một nửa lượng
cacbon hữu cơ trong đất bao gồm cả những monosacarit được liệt kê ở bảng 3.4.
40
Các monosacarit có cấu trúc vòng với một nhóm phần tử thay thế và sự sắp xếp của
các nhómhydroxyl đặc trưng. Nhóm phần tử thay thế ở glucoza, galactoza và manoza, là
CH
2
OH, ngược lại ở xyloza (đường gỗ) là H, ở axit glucuronic là COOH và ở glucosamin là
NH
2
. Các monosacarit trùng hợp (polyme hoá) để tạo thành các polysacarit. Ví dụ 2 đơn vị
glucoza có thể liên kết với nhau qua oxy ở vị trí HOH của mỗi đơn vị để hình thành một đơn vị
lặp lại của của xenluloza sau khi loại nước (hình 3.2). Như vậy xenluloza là một polyme ngưng
tụ của glucoza. Nó có thể chiếm tới 1/6 lượng cacbon hữu cơ trong đất. Một loại rượu có tính
axit yếu quan trọng trong đất là các loại phenol. Rượu coniferyl là một dạng phenol được
polyme hoá để hình thành lignin, cùng với xenluloza nó là một dạng tiền thân quan trọng của
các hợp chất mùn.
Ngoài những hợp chất trên có nhiều trong đất, trong đất còn tồn tại các hợp chất
photpho hữu cơ, chúng có thể chiếm đến 80 % lượng P của đất, được tìm thấy chủ yếu ở dạng
inositol phot phát (các vòng benzen cùng với H
2
PO
4
liên kết với các nguyên tử các bon vòng)
và các hợp chất lưu huỳnh hữu cơ là dạng lưu huỳnh chủ yếu của đất như: các axit amin, các
phenol, và các polysacarit chứa lưu huỳnh. Hoá học của các phân tử sinh học có khối lượng

phân tử khá nhỏ như đã được liệt kê trong các bảng từ 3.2-3.4 có ảnh hưởng rất mạnh đến các
phản ứng axit-bazơ và phản ứng tạo phức trong đất, trong khi hoá học của các polyme sinh
học ảnh hưởng đến hoá học bề mặt và hoá keo của đất thông qua các phản ứng hấp phụ cả với
các thành phần của dung dịch đất và cả với pha rắn của đất.
Bảng 3.4 Các monosacarit thường gặp trong đất
Tên Công thức hoá học
41
3.3 Các chất mùn đặc trưng
Các chất mùn đặc trưng là các hợp chất cao phân tử có chứa đạm, màu sắc thẫm mức
độ đậm nhạt khác nhau. Chúng là các axit mùn (các chất đặc trưng nhất) và các chất tiền mùn
đặc trưng - loại sản phẩm tương tự mùn đặc trưng mới được hình thành và humin. Các chất tiền
mùn đặc trưng giống như các sản phẩm trung gian của quá trình phân giải các tàn dư hữu cơ
nhưng ranh giới giữa chúng không rõ ràng. Humin bao gồm các axit mùn liên kết chặt chẽ với
phần vô cơ của đất, các chất mùn đặc trưng đã bị khử cacboxyl mất đi khả năng hoà tan trong
dung dịch kiềm, các hợp chất hữu cơ không đặc trưng và không hoà tan, có thể là cả các tàn
dư chưa bị phá huỷ hoàn toàn cấu tạo ban đầu. Như vậy, humin chính là nhóm các hợp chất
hữu cơ khác nhau, chúng phân biệt với các nhóm khác chủ yếu bởi tính chất không hoà tan
trong môi trường axit lẫn môi trường kiềm.
Các axit mùn khác hẳn các nhóm chất hữu cơ khác của đất về đặc tính và thành phần.
Chúng là các oxi axit hữu cơ cao phân tử chứa đạm có mầu nâu thẫm hoặc nâu hơi đỏ. Các
thành phần này của mùn là đối tượng nghiên cứu chủ yếu cách đây khoảng hơn 200 năm.
Các axit mùn được tách từ đất bằng các dung dịch kiềm (thường là dung dịch NaOH
0,1-0,5N), sau đó theo độ hoà tan người ta tách ra các axit humic, axit hymatomelanic và axit
fulvic.
Các axit humíc được tách khỏi các thành phần khác bằng cách axit hoá dịch chiết này
đến pH 1-2. Trong môi trường axit các axit humic và hymatomelanic kết tủa, axit fulvic còn lại
trong dung dịch. Từ kết tủa nhận được có thể tách các axit hymatomelanic. Chúng sẽ bị hoà
tan khi xử lý kết tủa bằng rượu etylic để tạo thành dung dịch có màu đỏ anh đào.
Nhóm các axit humic được chia thành hai nhóm phụ: các axit humic có màu đen (xám)
và các axit humic có màu nâu, theo hàm lượng cacbon, mật độ quang học và các dấu hiệu khác

những nhóm phụ này rất khác nhau. Việc tách các axit humic màu đen và các axit humic màu
nâu có thể được thực hiện bằng phương pháp kết tủa bằng muối. Trong dung dịch NaCl 2N,
các axit humic có màu đen tụ lại và kết tủa.
Thuật ngữ axit fulvic được sử dụng trong thổ nhưỡng học có hai ý nghĩa. Thứ nhất, các
axit fulvic là tổng số các chất hữu cơ hoà tan trong axit được tách ra trong quá trình phân tích
thành phần mùn theo I.V. Tiurin. Thứ hai, các axit fulvic là các axit mùn đặc trưng hoà tan
trong các dung dịch kiềm, axit và nước.
Hợp chất có màu xẫm này của đất đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành hạt
kết, điều chỉnh độ chua của đất, chu trình các nguyên tố dinh dưỡng và giải độc của các chất
độc. Các chất mùn đặc trưng là những chất không phải được tổng hợp trực tiếp để duy trì chu
trình sống của sinh khối đất. Một cách cụ thể hơn, chúng là những hợp chất trùng hợp được
tạo ra do hoạt động vi sinh vật, chúng khác với các polyme sinh học bởi cấu trúc và độ bền
trong thời gian dài của chúng trong đất.
Mặc dù cho đến nay các quá trình sinh hoá học của sự hình thành mùn chưa được hiểu
một cách đầy đủ, nhưng người ta đã thống nhất 4 giai đoạn phát triển trong quá trình chuyển
hoá tàn dư sinh vật đất thành mùn: (1) sự phân giải các thành phần của tàn dư sinh vật bao
gồm cả lignin thành các hợp chất hữu cơ đơn giản; (2) Sự chuyển hoá các hợp chất đơn giản
trên của vi khuẩn; (3) Chu trình C, H, N và O giữa chất hữu cơ của đất và sinh khối vi khuẩn;
(4) Sự trùng hợp hoá các chất hữu cơ trên gián tiếp bởi vi khuẩn. Người ta cho rằng các hợp
chất hình thành mùn chủ yếu trong giai đoạn 3 và 4 là các polyme phenol có nguồn gốc từ các
giai đoạn 1 và 2 được biến đổi thành các hợp chất phản ứng có chứa các nhân quinon dễ dàng
trùng hợp hoá.
Các đặc tính hoá học của các hợp chất mùn thường được nghiên cứu sau khi tách đoạn
chất hữu cơ của đất dựa trên các đặc điểm hoà tan.