Historia de la Ciencia del Suelo 10ª Parte. Los aportes de la Qímica a la Ciencias del Suelo. (Salvador González Carcedo)

Si las Ciencias que estudiaron aspectos del suelo relacionados con la Física, durante la primera mitad del siglo XX, la Química del Suelo permitió la elaboración de diversas teorías sobre el “complejo coloidal” del suelo y las propiedades con él relacionadas. Destacan los trabajos de Wiegner y Mattson (1929) sobre el complejo coloidal y los de Helmont y Gay sobre la doble capa, para explicar el origen de las cargas negativas, responsables de los fenómenos de cambio. Con el tiempo, el contenido de sus empíricos desarrollos se ven sustituidos por formulaciones más rigurosas desde el punto de vista teórico. Así, la teoría de potenciales químicos de Schofiel (1947) se ve modificada por Bolt, (1967) y Barrow, (1987). Igualmente destacan los trabajos sobre la reacción del suelo y sobre todo, los relacionados con el origen de la acidez o el conjunto de los procesos redox, observables en suelos saturados, o los trabajos de Barber (1984) sobre la disponibilidad de nutrientes en el suelo, en los que se introduce un factor que explica las posibilidades de difusión del ion hacia la planta.

En la segunda parte de este siglo aparecen trabajos de síntesis sobre los elementos más destacados: Aluminio (Jackson, 1964), silicio (McKeague y Cline, 1963), hierro (Segalen, 1964) y las publicaciones de autores múltiples sobre: el fósforo (1980), potasio (1985), hierro (1985), manganeso (1988), “metales pesados” (1986), azufre (1986), que permiten darnos una idea de su participación en la actividad global del suelo.

Así podemos organizar las direcciones más importantes que sigue la Química del suelo durante este periodo en:

Elaboración de modelos sobre el cambio de nutrientes, la acidez del suelo, problemas ambos relacionados con las carencias y toxicidad de los oligoelementos.
Establecimiento de las relaciones entre la composición y estructura de los coloides del suelo y las propiedades químicas.
Estudio de los diferentes elementos químicos (metales, metaloides y radionúclidos) en el suelo, delimitando su presencia, movilidad, especiación, dinámica y facilidad de extracción.
Su relación con los ciclos biogeoquímicos y su comportamiento en función de los condicionantes del medio: pH, Eh, tiempo de residencia, temperatura, competencia iónica, influencia de ligandos, así como y procesos químicos del suelo tales como adsorción, desorción, disolución, complejación, precipitación y oxidoreducción.

Si Kelly, Hendricks y Fry (1929) realizan el primer análisis por Rayos X referido a los componentes inorgánicos y en 1939 se aplica por primera vez el microscopio electrónico al estudio del suelo, en el Congreso Internacional de la Ciencia del Suelo de 1935, Aganoff discute la utilización del análisis térmico diferencial (ATD). La aplicación de la nueva tecnología analítica, emergente a partir de 1945, permitió estudiar de forma aislada a los componentes, orgánicos, inorgánicos y los denominados inorgánicos móviles del suelo, generándose un avance espectacular.

La espectrofotometría se introduce hacia 1950, la cromatografía en el periodo 40-50, la absorción atómica en 1955, los radioisótopos en la década de los 50 y posteriormente la resonancia magnética nuclear, los autoanalizadores, la sonda electrónica, cromatografía de alta presión HPLC, etc. y con ello un incremento de la capacidad de análisis en los laboratorios. Más recientemente fué la aplicación al suelo de técnicas microespectroscópicas (EXAFS, AFM, Mössbauer, Raman) y de caracterización química de muestras naturales sólidas o en solución, o la modelización matemática de los procesos con el fin de identificar y cuantificar los mecanismos de las reacciones inorgánicas y orgánicas en los suelos.

El Nitrógeno es un elemento constitutivo de los compuestos humificados y actuante como impulsor de la actividad biológica del suelo atribuyéndose la responsabilidad “prima“ respecto a la productividad vegetal. Entre otras muchas, las aportaciones de Bremner y Bartholomew en el campo del análisis y evaluación de los compuestos nitrogenados en el suelo, de G. Standford sobre la mineralización del nitrógeno y las ecuaciones presentadas por C.G. Kowalenko y D.R. Cameron son de gran interés.

Una de las consecuencias directas del planteamiento del paradigma de Jeny fue el estudio específico de la materia orgánica en Edafología, como un factor de formación de suelo y relegando a un segundo plano su concepto ancestral de la “bondad de los suelos orgánicos para la agricultura” verdaderamente poco científico. Sin embargo, cuando el US Soil Survey advierte que una de las causas de pérdida de fertilidad y de la erosión de los suelos están asociadas al descenso de los niveles de materia orgánica, se reagrupan todos sus intereses.

Los trabajos de Forshyth 1941 de extracción de compuestos humificados con ayuda de sosa, influye sobre todas las investigaciones posteriores, incluídas las de Schnitzer (1956), quien desde su primer trabajo “Note of the extraction of organic matter from the B horizon of a Podzol Soil” lo utiliza con sus ventajas e inconvenientes, tal y como se puso de manifiesto el 1979 en el Congreso de “Migrations des Complexes Organo-Mineraux du Sols”, en Nancy. La modelización de su trabajo sobre la composición, y análisis estructural de los compuestos húmicos, es impresionante. Posner (1966) da un paso más allá, al realizar la titulación electroquímica de los compuestos “fúlvicos” y “húmicos” y relacionar sus resultados con la capacidad de intercambio iónico de la “materia orgánica” del suelo.

Kononova y Belchikova (1971) introducen un nuevo extractante, el pirofosfato sódico por su actividad dequelante, que reduce los problemas de hidrólisis, autolísis bacteriana y neoformación en laboratorio evitando de esta forma los problemas de la sosa. Bruckert (1976) aporta el tetraborato como reactivo de extracción, sobre la base de su capacidad de reacción con los carbohidratos presentes en los componentes fúlvicos (cuya composición ya había quedado establecida). Y junto a ellos toda una nueva gama de reactivos orgánicos, complementarios al etanol, van a ser introducidos: dimetilformamida, dimetilsulfóxidos, dicetonas, y otros.

La capacidad integradora de personas como Kononova, (1961) “Soil Organic Matter”, Giessekin (1972) «The Soil Components”, Flaig (1975) “The Soil Compounds” ó Lowe (1978) “The Soil Organic Matter” van incrementado el acervo de conocimientos de una forma organizada. Como consecuencia, las clasificaciones denominativas que impliquen a los conjuntos moleculares liberados siempre quedarán bajo sospecha, son difusos y su clasificación real es arto difícil. En casi ningún caso se atiende a lo que realmente hay y lo que se extrae, se engloba bajo nombres genéricos y solo en pocos casos se habla de compuestos orgánicos concretos etc… En este sentido Stevenson trabaja actualmente de forma intensa.

Al conocimiento de las moléculas húmicas dedican buena parte su vida los alemanes Martin y Heider (1971). Stevenson y Flaig además de realizar un estudio general de estos compuestos, desarrollan diversos modelos moleculares de los ácidos fúlvicos y húmicos y en recopilaciones más recientes, Aiken, McKnight, Wershaw, MacCarthy, Hayes y Switt aportan entre 1985 y 1989 revisiones de gran importancia, tales como “Humic Substances in Soil, Sediment and Water” “Humic substances II : In search of Structure”, o los escritos por Frimmel y Christman “Humic Substances and their role in the environment”.. A la alteración de las arcillas como tales y a la influencia del entorno edáfico específico, Jackson dedica una gran parte de sus esfuerzos. La conformación de los complejos organominerales se estudia a partir de la interacción de las arcillas con los ácidos húmicos y fúlvicos (Orlov y Greenland, 1965).

A estos estudios van a contribuir técnicas, degradativas o no, tales como la espectrofotometría UV-V, IR, RMN, Resonancia de spin electrónica, análisis de difracción electrónica y por espectrofluorescencia, medidas de viscosidad, etc. y nuevos desarrollos como la aplicación del RMN de alta frecuencia, el uso de ¹³C, o la espectroscopía de masas por ionización (Py-FIMS). No se descartan técnicas menores como la cromatografía capilar en la determinación de los hidratos de carbono después de silitización, la cromatografía de exclusión molecular, la electroforesis sobre gel de poliacrilamida, por poner ejemplos puntuales de la extensa entre una variada gama de técnicas que hoy están presentes en los análisis de este tipo de materiales.

Desde los primeros tiempos de la Mineralogía ya se diferenciaron, en el suelo, dos tipos de materiales objeto de estudio: la fracción gruesa, mayor de 2 micras de diámetro, y la fracción fina, inferior a dicho tamaño. Si las técnicas de estudio de la primera apenas evolucionaron, utilizándose casi exclusivamente la petrografía microscópica, la interpretación de los resultados empiezan a tener interés cuando se aplica a suelos policíclicos, a índices de fertilidad potencial, en estudios de meteorización y por su utilidad en las clasificaciones de suelos.

La fracción fina ha recibido mayor atención como consecuencia de su mayor reactividad e influencia sobre las propiedades de los suelos. A principios de siglo, los coloides inorgánicos del suelo eran considerados como mezclas químicas de sílice, alúmina e hierro. Por su pequeño tamaño de partícula y por la imposibilidad de observar estructuras externas se consideraban como amorfos. Para conocer su composición se utilizaron fundamentalmente técnicas de tipo químico, la solubilidad en determinados reactivos o las relaciones estequiométricas entre sus constituyentes. Esta orientación se observa en los trabajos de Mattson, Robinson, Holmes ó McLean, entre otros. La aplicación de la DRX al estudio de la fracción arcilla contribuyó decisivamente a demostrar su naturaleza predominantemente cristalina. Desde entonces se realizan un gran número de estudios sobre la estructura y propiedades de los minerales cristalinos de la arcilla (Grim, Hoffmanm, Mehmel, Correns) avanzando notablemente en su conocimiento y catalogación.

Recientemente la Edafología ha puesto especial énfasis en el estudio de los Minerales de cadena corta, derivado del importante papel que estos parecen tener en determinados tipos de suelos como podzoles, oxisoles y andosoles. Destacan los trabajos de Fripiat (1964), van Reeuwijk (1974), Fieldes (1966), Tan (1984), entre otros.

Para el estudio de los mecanismos de las reacciones de alteración, se han utilizado dos estrategias. Con la más clásica, Jackson y Sherman (1953) estudian la composición del suelo y de las rocas en diferentes etapas de alteración. La segunda representada por de Pedro (1979) consiste en provocar la alteración experimental de distintas rocas y minerales en condiciones controladas de laboratorio. Han merecido también la atención los estudios de transformación de minerales a los que han aplicado los principios de la termodinámica para predecir las fases estables y el sentido de las transformaciones. Actualmente son temas de estudio de especial atención:

Estudios mineralógicos en ambientes especiales y extremos.
Estudios de tipo geoquímico y termodinámico.
Estudios de alteración experimental.
Estudios sobre las características superficiales de los minerales y su relación con las propiedades del suelo.

Técnicas combinadas como espectroscopía de absorción atómica por plasma de acoplamiento inducido, RMN, FTIR, y FT-Raman, así como técnicas de estudio de la interfase (ESCA, Auger), que han propiciado el avance de la química de superficie, fundamentada en la caracterización precisa de los grupos funcionales de superficie, de los componentes orgánicos y minerales del suelo, responsables de su interreactividad.

Actualmente se ha cuestionado la importancia concedida a las isotermas de adsorción y a las constantes de intercambio, por insuficientes para conocer de modo preciso los mecanismos implicados en reacciones de superficie como el cambio iónico, la adsorción de iones y moléculas neutras o la isomerización de moléculas orgánicas. Como mucho, han de ser considerados meros indicios, mientras no se demuestre por una vía alternativa el mecanismo sugerido por estas representaciones y parámetros, vía que deberá de incluir un mayor conocimiento sobre las características químicas de los componentes orgánicos de la Necromasa del suelo, así como la globalizad de los procesos enzimáticos que ocurren en la interfase líquida que de forma correcta denominamos “Solución del Suelo”. Y en ello estamos en esta Bitácora.

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