Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth Stand: 16.03.17

Huminstoffe - Bau und Bedeutung

Vortrag von Michael Stoll im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - "OC", SS 2009

Gliederung:

Einführung. Das Wasser, das nach dem Gießen von Topfpflanzen in den Untersetzer läuft, verfärbt sich braun. Die Färbung ergibt sich aus den in der Erde vorhandenen Huminstoffen, deren Entstehung, Bau und Bedeutung für die Natur im folgenden Vortrag erläutert werden.

Experiment	Ausschwemmung und Ausfällung von Huminstoffen
Material	2 Bechergläser 150ml Glasstab Teelöfel	2 Pipetten 10ml Gartenerde Leitungswasser Indikatorpapier
Chemikalien	Natronlauge c(NaOH)= 0,1mol/l Salzsäure (c(HCl)= 0.1mol/l)
Durchführung1	Zwei Löffel Gartenerde  mit ca. 50 ml Leitungswasser versetzen und gut umrühren. Ca. 1 Min. absetzen lassen, dann den Überstand in das zweite Becherglas abdekantieren.
Beobachtung1	Das Wasser hat sich braun verfärbt.
Interpretation1	Aus der Gartenerde wurden die Huminsäuren ausgeschwemmt.
Durchführung2	Die wässrig gelösten Huminstoffe im zweiten Becherglas werden durch Zugabe von  verdünnter Natronlauge leicht alkalisch (Kontrolle erfolgt mit Indikatorpapier) gemacht und anschließend mit verdünnter Salzsäure angesäuert, bis eine optische Änderung der Lösung auftritt.
Beobachtung2	Es fällt ein weißer Niederschlag aus.
Interpretation2	Huminsäuren lassen sich aus ihren alkalischen Lösungen mit verdünnten Mineralsäuren ausfällen.

1 Entstehung der Huminstoffe

Das Huminstoffsystem stellt einen Weg der Natur dar, abgestorbener, organischer Materie erneut eine Funktion  zuzuführen. Huminstoffe bilden sich aus den Spaltprodukten von Pflanzenteilen. Nach dem Absterben von Pflanzen zersetzen Mikroorganismen die makromolekularen Pflanzenteile in kleinere, einfachere Strukturen. Es werden Polysaccharide in Monosaccharide, Eiweiße in Aminosäuren und Lignin (Zellwände der Pflanzen) in phenolische Verbindungen zersetzt. Diese einfacheren Strukturen vernetzen sich amorph durch radikalische Reaktionen und unter Mitwirkung von Mikroorganismen. Die Strukturformeln dieser Verbindungen geben Momentaufnahmen eines Zustandes wieder, der sich kontinuierlich durch äußere Beeinflussung (z.B.Temperaturschwankungen) ändert.

Abb. 1: Humusschicht: an der braunen bis schwarzen Farbe erkennt man das Vorhandensein von Huminstoffen [4]

2 Bau der Huminstoffe

Huminstoffe stellen amorphe, makromolekulare Strukturen dar, die zahlreiche Löcher durch sterische Hinderungen der zusammen gelagerten Bruchstücke aufweisen. Das wesentliche Strukturmerkmal ist die Vernetzung von phenolischen Verbindungen. Die Seitenketten, die aus Carbonyl-, Carboxyl-, und Hydroxylgruppen bestehen, bewirken überwiegend die Reaktionsfähigkeit der Huminstoffe. Außerdem werden noch Kationen, Silikate, Tone und reaktive, organische Moleküle in das Bindungssystem einbezogen. Die Verknüpfung der Moleküleinheiten erfolgt über verschiedene Brücken (z.B. Aminoverbindungen, Sauerstoff, aliphatische Ketten).

Abb. 2: Makromolekulare Struktur eines Huminstoffes

3 Bedeutung der Huminstoffe in der Natur

3.1 Bindungen mit Fremdmolekülen

In den "Löchern" können sich organische Fremdmoleküle (Schadstoffe, Pestizide) einlagern. Die Ausbildung der verschiedenen Bindungstypen zu Fremdmolekülen findet mit unterschiedlicher Bindungsstärke statt. Diese ist abhängig von den Zufälligkeiten der aufeinander treffenden Strukturen:

• schwach sorptive Kräfte
• Stabilisierung durch Ladungswechselwirkungen
• Wechselwirkung mit den Aromatensysteme der Fremdstoffe

Schwermetalle können durch die reaktiven Seitengruppen (auch Komplexverbindungen) gebunden werden und somit zu einer Entgiftung des Bodens führen.

Abb. 3: Verschiedene Bindungstypen eines Huminstoffes mit Fremdstoffen

3.2  Förderung des Pflanzenwachstums

Die Förderung des Pflanzenwachstums erfolgt aufgrund der Ladungswechselwirkungen bzw. Bindungsbildungen der reaktiven Gruppen des Huminstoffes zu Mineralstoffen (Calcium, Magnesium, Eisen) der Tonminerale. Dadurch ist die Aufnahme der Mineralstoffe durch die Pflanzen in Form von Ionen möglich. Außerdem können Nährstoffe (Stickstoff, Schwefel, Phosphor) aus den organischen Verbindungen durch Mikroorganismen freigesetzt werden.

4 Bedeutung der Huminstoffe für den Menschen

Landwirtschaft: In der Landwirtschaft haben die Huminstoffe  durch die Mineralstofffreisetzung entscheidende Bedeutung für die Fruchtbarkeit der Böden und somit für den Wert des Landes.

Industrie: Böden, die durch die Industrie mit Schwermetallen kontaminiert wurden, können durch eine künstliche Humusaufschüttung entgiftet werden.

Medizin: In der Medizin werden Huminstoffe als Regulator im Verdauungsstoffwechsel genutzt.

Zusammenfassung

• Huminstoffe bilden sich aus den Spaltprodukten von Pflanzenteilen.
• Phenolische Verbindungen stellen das wesentliche Strukturmerkmal dar.
• Die besondere Reaktionsfähigkeit eines Huminstoffes resultiert aus den Seitengruppen, die Bindungen mit Fremdmolekülen (Schadstoffe) eingehen können. 

Literatur:

1. Stottmeister, Ulrich: Altlastsanierung mit Huminstoffen. Chemie in unserer Zeit , 2008, S. 24- 42.
2. Blum, Wienfried: Bodenkunde in Stichworten, 2007, S.34- 37.
3. Scheffer, ?; Schachtschnabel, ?: Lehrbuch der Bodenkunde, 1992, S.54 - 60.
4. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Humus_fj.jpg Lizenz: Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International, 16.03.2017

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 16.03.17