“矿源黄腐酸”与“生化腐植酸”区别

1、黄腐酸的由来

说起黄腐酸，我们不能不从腐殖质（Humus）谈起。

腐殖质的生成历程和化学理论有多种流派，众说纷纭，而目前比较公认的是科诺诺娃（Kononova）[1]和斯蒂文森（Steve nson）[2]的学说。本资料主要根据他们的理论加以阐述。

腐殖质是植物（也包含部分动物和微动物）残体在微生物作用以及后期复杂的地球化学作用下分解-合成的一类天然复杂大分子芳香族聚合物，参与形成腐殖质的植物组分，主要是木质素和多酚类物质，但纤维素、半纤维素、淀粉、单宁、蛋白质、脂肪等也参与了腐殖质的生成。腐殖质在地球上分布很广：在土壤、腐泥、江河湖海、死亡动植物残体中有之，在有机垃圾、堆肥、发酵废料中有之，而泥炭、褐煤、风化煤中的含量更高。

按腐殖质在不同溶剂中的溶解性，主要可分为4个级分：黄腐酸、棕腐酸、黑腐酸和腐黑物。在这4个级分中，前3种统称“腐植酸类物质”（HAs）其中溶于碱而不溶于酸的级分称作腐植酸（Humic acid，代号HA），而既溶于碱、又溶于酸（实际也部分溶于乙醇和丙酮）的Has叫做黄腐酸，原称富里酸（Fulvic acid，代号FA），是瑞典化学家奥登（Odén）于19 19年最早命名的。因此，FA是腐植酸类“家族”中的重要成员之一。

自然界FA的总量尽管很多，但大部分含量不超过1‰，难以提取和直接利用。泥炭和煤炭（包括褐煤和风化煤）中HAs 含量都较高，是目前腐植酸类工业加工和利用的主要原料来源。其中泥炭中的FA含量最高，其加工利用早已引起国外学者的关注。众所周知，泥炭是成煤的初期阶段，也是形成HA和FA的重要阶段。这个阶段是植物残体腐殖化初期，实际还是以喜氧微生物作用为主，泥炭化后期才进入厌氧细菌活跃期。因此，泥炭黄腐酸（PFA）的形成期，与土壤黄腐酸（S FA）、生物发酵黄腐酸（BFA）的形成期比较接近。因此，现代泥炭仍然大量保存着原始植物成分（纤维素、半纤维素、木质素、单宁质、蛋白质等），其HA和FA也不可避免地与这些非腐殖物质相“亲合”。而褐煤和风化煤中的黄腐酸（以下统称煤炭黄腐酸，CFA）则不同，它们的生成后期已经受过厌氧细菌作用（褐煤），甚至经过了长期的地质化学（高温、高压、风化氧化）作用和演变（风化煤），植物原来的成分已分解殆尽，而其中的HA和FA都经过复杂的芳香缩合-异构化过程。另外，现代泥炭的成矿原料几乎都是草本/蕨类/苔藓植物，而褐煤和风化煤都是木本植物为原料的，因此，泥炭和煤炭不仅生成年代、地质化学条件不同，而且原始植物也不同，这就决定了它们的化学组成和性质及加工工艺的差异。

2、黄腐酸的化学组成与结构

黄腐酸（FA）的主要有机元素是碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）和硫（S），其不同来源的FA元素组成大致范围见表1。可以看出，泥炭FA与生化FA、水体FA、堆肥FA、土壤FA的各元素比例基本相近，H/C原子比都在1.1以上，而煤炭FA （特别是风化煤FA）则不同，表现在碳含量较高、氢含量较低，H/C原子比都小于1。FA中的活性基团主要是羧基（COO H）和酚羟基（OH Ph），总称“总酸性基团”，它们含量的多寡，是FA化学活性高低的一项重要标志。从表1看出，泥炭FA 与煤炭FA、土壤FA的官能团在同一数量级，即总酸性基（特别是COOH）含量明显高于生化FA和堆肥FA，而酚羟基则比煤炭FA和土壤FA高，预示泥炭FA的综合活性较高。

表1 不同来源黄腐酸的元素组成和官能团对比(据文献[3]~[10])

来源

元素组成 (大致范围), %, daf H/C

(平均)官能团(平均),mmol/g

C H N S O总酸性基 COOH OH Ph 生化FA45~47 7~8 4~5 1~2 39~41 1.84 5.8 3.3 2.5堆肥FA47~48 5~7 1~3 1~2 40~42 1.72 6.4 1.3 5.1水体FA45~47 5~6 2~3 ——44~46 1.53—————土壤FA44~46 4~6 1~3 0.5~2 43~45 1.4210.38.2 2.1泥炭FA44~46 4~6 2~3 0.5~1 44~46 1.1910.47.8 2.6褐煤FA48~50 3~4 1~2 0.5~1 41~43 0.829.07.3 1.7风化煤FA52~55 2~3 0.7~1.5 0.5~1 38~43 0.6510.79.1 1.6风化煤HA54~65 1~3 0.1~0.9 0.3~0.5 37~39 0.537.87.00.8因为FA是来源不同的复杂天然有机物质，不可能写出一个确定的分子式，但可以用示性式来表示，即FA分子的基本结构单元由核+桥键（或侧链）+官能团3部分组成。“核”主要是苯环（也有少数脂环、萘环和杂环）；桥键和侧链主要有亚甲基（-CH2-）、亚氨基（-NH-）、氮桥（-N=）、 O）、氨基（-NH2）、烯醇基（-CH=CH-OH）等。由若干个结构单元通过氢键、静电引力、范德华引力、金属离子等缔合构成FA分子，而FA分子之间又与蛋白质、氨基酸、碳水化合物、烃类、金属离子等通过弱键连接, 构成大分子（或“超分子”）。若干大分子又组合成为大分子胶体，这就是所谓的“FA胶体粒

子”。Stevenson[2]提出的FA分子结构模型（部分）见图3。这种结构模式只是理想状态，自然界的实际情况要复杂得多。比如，泥炭FA、水体FA、堆肥FA和部分土壤FA，不仅有芳香核和各种官能团，而且还与或多或少的蛋白质（多肽，po lypeptide）、多糖（saccharide）和脂肪链（R）结构相缔合（见图3）；但煤炭FA则比较简单，除存在核结构和官能团外，蛋白质和糖类几乎荡然无存，脂肪链也少得多。E4/E6比值（在可见光465nm和665nm处光密度的比值），是反映FA的芳香缩合程度（或共轭键多少）的一个重要指标（与E4/E6呈负相关）。泥炭FA的E4/E6在土壤和堆肥FA范围,而与生化F A和煤炭FA差别较大；芳香度（fa，芳香碳占总碳的比例）也与上述规律相吻合。可见，泥炭FA与土壤、堆肥FA具有同等的芳香缩合度，也就是说，它们的腐殖化成熟度大致相同。但泥炭FA数均分子量相对最小（见表2），这无疑对农业应用是有利的。表1、2中数据还显示，同一来源的腐植酸（HA）和FA相比较（以风化煤为例），差别十分明显：前者的碳含量高，H/C低,氧含量低，芳香度高，分子量大，官能团数量相对较少。因此，人们更青睐FA，是不难理解的。

3、黄腐酸的性质

黄腐酸（FA）与腐植酸（HA）尽管在性质上有相似之处，但从上述组成结构的分析可知，FA是腐植酸类物质中芳香度最低、分子最小、官能团最多、溶解性最好的部分，也预示着FA是腐植酸“家族”中最活跃的一个级分，其化学、物理化学、生物化学活性比HA更高。对FA的性质简单分述如下：

3.1 物理性质和胶体性质

黄腐酸在固体状态下为深黄-深褐色粉末，颜色深度一般随土壤FA≈泥炭FA<褐煤FA<风化煤FA依次加深。FA真密度在1. 4g/cm3左右；易溶于水、酸和碱性溶液以及某些有机溶剂。FA的分子尺寸大约0.15~0.2nm，其稀溶液几乎为真溶液，但在较高浓度时呈现亲水胶体特性。FA也具有有机聚电解质的特性，表现在能提高胶体粒子的ζ-电位和双电层厚度、增强胶体体系稳定性方面。当FA水溶液中的金属离子达到一定浓度时，或者H+离子浓度极高（pH很低）时，FA会凝聚沉淀，这一性质主要用“凝聚极限”（n）来表示，n越大，FA

表2 黄腐酸的某些结构性质参数[3~11]

来源E4/E6凝聚极限n

(mmol/g)

数均分子量[11]

芳香度

fa

生化FA 3.3~9.81~36————

堆肥FA7~8————0.3~0.55土壤FA7.5~110.1~0.69510.4~0.6

泥炭FA7.6~8.910~∞5060.2~0.5风化煤FA 3.8~8.60.6~27460.49~0.6风化煤HA 3.1~6.30.1~0.6>15000.55~0.75抵抗电解质絮凝的能力越强。表2列出了不同来源FA的n值范围，可见泥炭FA的n最高。FA也是表面活性物质，具体表现在降低水表面张力、减小接触角和提高发泡性上。一般来说，表面活性大小的规律为：泥炭FA>褐煤FA>风化煤F A。同一来源的HA和FA相比，前者的n值要小得多（见表2），所以风化煤腐植酸钾（钠）溶液的抗絮凝能力很差，不适合制取液体肥料。

3.2 化学性质

1、弱酸性：由于FA含羧基、酚羟基，所以具有弱酸性，其水溶液pH值在3~5范围。

2、离子交换性：FA羧基和酚羟基上的活泼氢离子（H+）很容易被一价阳离子（K+、Na+、Li+、NH4+）和部分二价金属离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+等）置换，形成FA的盐类，如黄腐酸钠（FA-Na）、黄腐酸钾（FA-K）等。FA甚至可以与许多天然物质，如粘土矿物、磷酸盐、碳酸盐、肥料、农药及各种有机阳离子发生离子交换反应，生成各种各样的复合物。

3、络合、螯合性：FA的活性基团（包括羧基、羟基以及某些含P、O、N、S的基团）一般都是电子给予体，很容易与许多电子接受体（多价金属离子、有机基团或离子）构成配位化合物，称作络合物或螯合物。比如，FA-Zn、FA-Mn、FA-Fe、FA-尿素、FA-农药等，实际大部分是络合（螯合）物。FA的络合（螯合）性能直接影响着自然界各种物质的迁移、固定、胶、化学反应性和生物可利用度，也是生产各种FA化学制剂（如高效液体肥料、低毒农药等）的理论基础之一。

4、氧化还原性：据测定，HA和FA的标准氧化-还原电位（E0）在0.7V左右，与半醌自由基的电极电位相当，故认为FA 的氧化还原性是醌-半醌-酚相互转换引起的。实际上，FA中的羰基、醇羟基、氨基、硝基、甚至脂肪碳结构部位都有可能参与氧化还原反应。FA的这种性质，不仅能调节土壤矿物的氧化还原浓度比（αOx/αRrd）、刺激微生物活性、调节植物体的生理活性，而且对地质化学变化、重金属和有机毒物（石油、多环芳烃、酚类、染料、农药等）的迁移和毒性也有影响。实验证明，HA和FA的大量存在，可使土壤环境的有效氧化-还原电位（E h）保持在最佳范围（0.2~0.7V），有利