COLOIDES ORGÁNICO-MINERALES DEL SUELO Y SU IMPORTANCIA

COLOIDES ORGÁNICO-MINERALES DEL SUELO Y SU IMPORTANCIA PARA LA VIDA

Valentín Vásquez

Oaxaca, México
valeitvo@yahoo.com.mx

1. Introducción

Los coloides orgánico-minerales del suelo, son el resultado de un largo proceso que se mueve gradualmente y a saltos, desde la roca de la que se derivan las partículas minerales -arenas, limos y arcillas- del suelo y la materia orgánica aportada por los organismos vivos. La roca se transforma gradualmente en partículas cada vez más finas, empezando por grandes fragmentos, gravas, arenas y limos; los cuales, conservan la cualidad de ser roca, a pesar de su menor tamaño, ya que siguen conservando las misma misma química y mineralogía. Pero, el movimiento no se detiene en los limos, el intemperismo continúa, de tal forma que aparecen las arcillas, cuyo tamaño es menor que las partículas descritas. Con la arcilla, se produce un "salto" o cambio brusco, ya que se ha rebasado la medida en la que se mueve la cualidad de ser roca, para dar origen a una nueva cualidad: un coloide mineral y con ello nuevas propiedades físico-químicas. Por el lado de la materia orgánica aportada por los organismos vivos, también se mueve paulatinamente y bruscamente, de tal forma que por la acción de los microorganismos, se va transformando gradualmente, hasta que se rebasa el rango -medida- en la que se mueve la cualidad de ser materia orgánica, para dar paso, a través de un "salto" a una nueva cualidad: el humus. Tanto la arcilla, como el humus tienen naturaleza coloidal. Con los coloides aparecen nuevas propiedades fundamentales, destacando su carga eléctrica negativa y con ella una propiedad química esencial: la capacidad de intercambio catiónico (CIC). Esta es una nueva propiedad de trascendental importancia para la fertilidad del suelo, puesto, que permite la retención y el intercambio de cationes por parte del complejo arcillo-húmico y la solución del suelo, propiedad que permite la disponibilidad de iones positivos que las plantas aprovechan para su nutrición, siendo los más importantes: el amonio, el potasio, el calcio, el magnesio, el azufre y el hierro. Aunque domina la capacidad de intercambio catiónico en el suelo, también se presenta marginalmente el intercambio aniónico, principalmente en suelos ácidos de regiones tropicales húmedas, en los que se forman hidróxidos de hierro y aluminio de naturaleza coloidal con cargas positivas, que favorecen la retención y el intercambio de aniones con la solución del suelo, siendo los más importantes: el fosfato, el nitrato y el sulfato, todos fuentes de fósforo, nitrógeno y azufre, los tres fundamentales para la nutrición de las plantas. Así pues, la naturaleza coloidal de las arcillas y el humus del suelo son fundamentales para la fertilidad de los suelos, al favorecer la disponibilidad de nutrientes para el desarrollo de las plantas.

2. Marco de referencia teórico

El fundamento teórico de la naturaleza coloidal de los componentes del complejo orgánico-mineral del suelo, es la dialéctica, particularmente sus tres leyes universales, que rigen el movimiento de la materia y del pensamiento, descubiertas por Hegel y expuestas en su Ciencia de la Lógica (1812-1816). Esta obra está dividida en tres partes y estructurada en forma tal que sigue el movimiento del conocimiento científico: de la apariencia a la esencia y de ésta a su expresión lógica. Así, en la primera parte -doctrina del ser- estudia la naturaleza del movimiento del pensamiento, en la que expone la primera ley la dialéctica del movimiento: la transformación recíproca de la cantidad y la cualidad. La cualidad y la cantidad son dos aspectos contradictorios de los objetos que se mueven. La cualidad es la que permanece relativamente estable y es idéntica al ser, en cambio la cantidad es la magnitud de la cualidad. La cualidad se mueve cuantitativamente en un rango -medida- en el que se conserva la cualidad, pero en un momento determinado se rebasa el límite de la medida y se produce un cambio brusco -"salto"- por medio del cual la vieja cualidad es relevada por una nueva cualidad con su correspondiente cantidad. Para Hegel, la nueva cualidad, es la esencia, objeto de estudio de la segunda parte de su Ciencia de la Lógica, ya que se ha producido un "salto" de la apariencia -cualidad vs cantidad- a lo que está oculto detrás de la sensibilidad -esencia-. Es en esta parte, en la que expone la segunda ley dialéctica: la contradicción universal, la cual establece que en el universo todos los procesos son contradictorios. Esta ley, es el "alma" de la dialéctica hegeliana, ya que constituye la "fuerza motriz" que mueve a la materia y al pensamiento. En su movimiento dialéctico el conocimiento prosigue su marcha y culmina en la doctrina del concepto. Este no es más que la esencia hecha pensamiento. El concepto, es el objeto de estudio de la tercera parte de la Ciencia de la Lógica de Hegel. En esta parte de su obra, expone la tercera ley de la dialéctica: la negación de la negación. En su obra representa el retorno a su punto de partida de su trabajo: la doctrina del ser, pero como doctrina del concepto, resultado de la doble negación: la primera se produce cuando la esencia niega al ser y la segunda se presenta, cuando la esencia es negada por el concepto. Si bien la negación de la negación, fue expuesta por Hegel en la esfera del pensamiento, pero, como el pensamiento es la expresión lógica de la esencia, por consiguiente, es una ley universal que opera en la naturaleza, la sociedad y el pensamiento. La doble negación se produce, porque en el movimiento del objeto se desdobla su unidad contradictoria y en su posterior desenvolvimiento se genera la negación recíproca de sus aspectos contradictorios, cerrándose así el ciclo para retornar a su punto de partida.

Las tres leyes universales de la dialéctica, son el fundamento teórico de todas las ciencias particulares, en virtud de que por la dialéctica de la contradicción, todo objeto de estudio, es la unidad contradictoria de lo singular y lo general, siendo lo particular un eslabón intermedio entre ambos. En este sentido, las leyes de la dialéctica, son las que orientan la comprensión racional de los coloides orgánico-minerales del suelo y su importancia en la fertilidad del suelo.




3. Origen y naturaleza de los coloides del suelo

Los coloides orgánico-minerales del suelo, representan un cambio cualitativo -"salto"-, resultado de un prolongado proceso de acumulación de cambios graduales operados en la roca y la materia orgánica aportada por los organismos vivos, materiales primarios que al rebasar la medida en la que se mueven cuantitativamente sus cualidades, se produce un cambio brusco, a través del cual dejan de ser materia orgánica y roca, para convertirse en coloides orgánico-minerales, respectivamente.

Una de las propiedades fundamentales de los coloides orgánico-minerales (arcilla y humus), es la carga eléctrica que presentan  y con ella se genera consecuentemente otro rasgo esencial: la capacidad de intercambio iónico. Estas propiedades, se muestran en la imagen 1.

Imagen 1. Capacidad de intercambio iónico de los coloides del suelo

En la imagen 1 se observa que los coloides del suelo se clasifica en dos grandes categorías: los inorgánicos, entre los que destacan las arcillas, óxidos de fierro y aluminio, así como el alófano, característicos de suelos derivados de ceniza volcánicas; y, los orgánicos, siendo el humus el más importante. Las cargas eléctricas pueden ser positivas y negativas y en correspondencia con ellas se produce respectivamente la capacidad de intercambio aniónica y catiónica. Ésta última es la que domina en los suelos, ya que las arcillas y el humus que son los coloides más difundidos en los suelos, presentan cargas negativas; sin embargo, los óxidos e hidróxidodos de fierro y aluminio que se forman en los suelos ácidos de regiones tropicales, tienen cargas positivas, por consiguiente, desarrollan la capacidad de intercambio aniónico.

Los componentes minerales que se derivan de las rocas, son arenas, limos y arcillas. Las arenas y los limos, a pesar de su tamaño pequeño, en comparación con las rocas que les dan origen, son todavía rocas en "miniatura", puesto, que conservan sus cualidades de ser rocas; en cambio, las arcillas -diámetro menor de 0.002 milímetros- dejan de ser ocas, para convertirse en nuevas sustancias cualitativamente diferentes a las rocas que también les da origen. Es decir, la roca en su movimiento, entendido como cualquier cambio o transformación operado en la materia, se convierte en arena, luego en limo y con la arcilla se produce un "salto", ya que aparece un material mineral de naturaleza coloidal, con las nuevas propiedades fundamentales ya descritas más arriba.

En la imagen siguiente, se muestra la naturaleza físico-química de las partículas minerales del suelo, tanto coloidales como no coloidales.

Imagen 2. Naturaleza físico-química de las partículas minerales del suelo

En la imagen 2 se observa que las arenas y limos no presentan cargas eléctricas, lo cual reafirma su naturaleza rocosa, como ya se dijo anteriormente; en contraste, la arcilla de menor tamaño, presentan cargas eléctricas negativas, por consiguiente atraen iones de carga positiva, indicio de que las arcillas han dejado de ser rocas, para transformarse en coloide mineral y como tal favorece la formación de agregados en el suelo.

Además de contribuir a la formación de agregados en el suelo, las arcillas por su carga negativa, contribuyen a la retención de iones positivos o cationes, como se observa en la imagen siguiente.

Imagen 3. Arcilla coloidal del suelo

Además de las arcillas, coloides minerales derivados de la roca, el suelo, también presenta coloides orgánicos, principalmente el humus, derivado de la descomposición micro-biológica de la materia aportada por los organismos vivos al suelo.

El humus, al igual que las arcillas, también presenta cargas eléctrica negativas, como muestra en la siguiente imagen.

Imagen 4. Humus coloidal del suelo

Por sus cargas negativas, el humus también retiene iones positivos o cationes, como es evidente en la imagen anterior.

El origen de las cargas eléctricas de los coloides del suelo, son diferentes, dada que su naturaleza es diferente también. Así, en las arcillas coloidales de origen mineral, las cargas eléctricas negativas, se generan en el momento de la formación del mineral arcilloso, proceso que se conoce como sustitución isomórfica, la cual se muestra en la imagen que siguiente.

Imagen 5. Origen de la carga negativa de la arcilla del suelo

En la imagen 5 se observa que la lámina octaédrica de las arcillas, se produce una sustitución isomórfica de un aluminio con tres cargas positivas, por un magnesio con dos cargas positivas, dando como resultado una carga negativa excedente, que es compensada por un potasio de una carga positiva, para conservar la neutralidad eléctrica del mineral arcilloso.

Además de lámina octaédrica, la arcilla está estructurada de una lámina tetraédrica de óxido de silicio, en la cual también se produce la sustitución de silicio con cuatro cargas positivas por un aluminio con tres cargas positivas, generando una carga negativa extra, que debe ser neutralizada por una carga positiva de un catión.

Así pues, es la sustitución isomórfica en ambas capas del mineral arcilloso, la que produce las cargas negativas que los caracteriza.

La sustitución isomórfica es la principal fuente de cargas negativas de los coloides arcillosos del suelo, pero no es la única, como se observa en la siguiente imagen (6), en la que  la arcilla en condiciones de alcalinidad se combina con los iones hidróxilo (OH), para generar su carga negativa y agua.

Imagen 6. Ionización de los coloides del suelo en ambiente alcalino

En la misma imagen se aprecia que, la fuente de cargas negativas del humus, está condicionada por el Ph del suelo, particularmente por la ionización de los grupos funcionales OH y COOH, que al combinarse con el ión hidróxilo, en condiciones de alcalinidad, se produce la carga negativa del humus y agua. En este caso del humus, la carga negativa está condicionada por el Ph del suelo y este proceso es la única fuente de las cargas negativas del coloide orgánico.

Para el caso de hidróxidos de hierro y aluminio, en Ph alcalino, el ión OH, al combinarse con el hidróxido de hierro, se genera la carga negativa del coloide mineral; pero, en condiciones acidez de los suelos tropicales, se produce la siguiente reacción química, para producir la carga positiva del coloide mineral: FeOH + H+   ---->  FeOH2+.

Para el caso de las arcillas, además, de la carga eléctrica negativa, adquiere otra propiedad fundamental: una elevada superficie específica, la cual se observa en la imagen que sigue.

Imagen 7. Superficie específica de partículas minerales del su

En la imagen 7 se aprecia que la superficie específica aumenta a medida que disminuye el diámetro de la partícula mineral. Así, se observa que se produce un "salto" o cambio cualitativo al pasar del limo a la arcilla mineral y con mayor razón al pasar a la arcilla coloidal, en las que la superficie específica es de 31, 416 y 314, 160 centímetros por gramo de suelo respectivamente. Esto confirma, que que se descrito más arriba, en el sentido de que las arenas y limos, en esencia, todavía son roca fragmentada en tamaños pequeños y que solo la arcilla por su menor tamaño, adquiere esta nueva propiedad, crucial para la retención de cationes y humedad.

Dado que en los suelos domina el complejo de orgánico-mineral de naturaleza coloidal con carga eléctrica negativa, que favorece la retención de cationes, por consiguiente, la planta tiene mayor disponibilidad de cationes para su nutrición en detrimento de los aniones, tal como se observa en la imagen 8.

Imagen 8. cargas eléctricas negativas de arcillas y humus del suelo

Esto se pone en evidencia en la anterior imagen, en la que se observa que los cationes está retenidos por las cargas negativas de las arcillas -lo mismo sucede con el humus-, además, están en equilibrio con los cationes de la solución del suelo; en cambio, los aniones con su carga negativa son rechazados por los coloides que tiene la misma carga eléctrica negativa, generando su lavado más allá del sistema radicular de la planta. Por consiguiente, se debe ser muy cuidadoso con la fertilización a base de aniones, la cual deberá aplicarse en varias dosis en correspondencia con el desarrollo fenológico de las plantas, para reducir al mínimo las pérdidas.

La capacidad de intercambio catiónico varia en dependencia de la naturaleza del coloide, como se pone en evidencia en la siguiente imagen.

Imagen 9. Capacidad de intercambio de arcillas y humus del suelo

En la imagen anterior, es evidente que el humus -coloide orgánico- presenta una mayor capacidad de retención de cationes, en comparación con el alófano -mineraloide- coloide mineral de suelos derivado de cenizas volcánicas, sobre con las arcillas tipo ilita y si la capacidad de intercambio catiónico (CIC) está medida en miliequivalentes (meq) por 100 gramos de suelo, es evidente que la cantidad de nutrientes disponibles para las plantas es alto. Probablemente, la presencia de alófano en los suelos derivados de cenizas volcánicas, localizados en las regiones contiguas al Eje Neovolcánico, expliquen el buen desarrollo de la planta de aguacate, principalmente en Michoacán. En lo relativo a los coloides minerales, se observa que los suelos arenosos tienen una CIC menor de 10 meq/100 g de suelo, contrastando con una CIC mayor de 40 meq/100 g en suelos arcillosos. Esto es razonable, puesto que las arenas, prácticamente son roca pulverizada y la poca CIC que presentan, se debe a la presencia de las pocas arcillas que contienen los suelos arenosos.

La importancia de los coloides en la nutrición de las plantas, está en su naturaleza coloidal, particularmente en la capacidad de intercambio catiónico, como se observa en la siguiente imagen.

Imagen 10. Importancia de los coloides en la nutrición de las plantas

En la imagen se aprecia que el sistema radicular de la planta, por tratarse de un sistema vivo, respira y como producto de su metabolismo produce dióxido de carbono que al reaccionar con la humedad del suelo produce ácido carbónico, que al ionizarse se convierte en ión HCO3^-  y  ión hidrógeno. Éste es retenido por las cargas negativas de las arcillas, junto con el ión potasio. Éste al ser absorbido por la raíz de la planta es incorporado a la fisiología del vegetal, con lo que aumentan las cargas eléctricas positivas en el interior de la planta; por consiguiente, para conservar la neutralidad eléctrica, la planta tiene que excretar un ión hidrógeno que está retenido por el pelo radical, en virtud de la carga eléctrica de la célula de la raíz; que en seguida, es retenido por la carga eléctrica negativa de la arcilla, para mantener también el equilibrio eléctrico.

4. Discusión

La dialéctica como marco de referencia, particularmente sus tres leyes universales fueron fundamentales para entender la naturaleza de los coloides orgánico-minerales del suelo. Así, la ley de la transformación recíproca de la cantidad y la cualidad, permitió entender racionalmente el movimiento desde la roca madre y la materia orgánica aportada por los organismos vivos, como una serie secuenciada de cambios graduales prolongados, interrumpidos por cambios bruscos -"saltos"- que rebasan las medidas en la que se mueven la naturaleza orgánica y mineral de los componentes primarios del suelo, para convertirse en nuevas cualidades: humus y arcilla, coloides orgánico-minerales, cuyos rasgos fundamentales que los identifican son: cargas eléctricas negativas, cuya presencia es genera una propiedad química esencial para la fertilidad del suelo: la capacidad de intercambio catiónico, que se define como la capacidad de las arcillas y el humus para retener e intercambiar cationes y humedad, ambas propiedades esenciales para la nutrición de las plantas. La intensa actividad físico-química de los coloides se debe a las fuerzas contradictorias que mueven a la materia coloidal del suelo, como son la atracción y repulsión entre las partículas coloidales cargadas negativamente y los iones positivos para dar origen a un complejo orgánico-mineral de naturaleza porosa, por consiguiente interacciona con el agua y el aire que se mueve en sus poros. A pesar de que son los coloides orgánico-minerales con cargas negativas los que dominan en el suelo, en regiones con clima tropical húmedo, se han formado hidróxidos de hierro y aluminio que al combinarse con el hidrógeno de la solución del suelo, forman coloides con carga positiva, en consecuencia, tienen la capacidad de intercambio aniónico. Así pues, con la presencia de coloides orgánico-minerales del suelo, se genera una propiedad química fundamental para la fertilidad del suelo: la capacidad de intercambio iónico entre las partículas coloidales del suelo y la solución del mismo.

El suelo y particularmente sus elementos que le dan cierta estabilidad temporal, como son sus coloides orgánico-minerales, constituye solo un momento en el prolongado movimiento cíclico de la roca, ya que, finalmente el suelo es erosionado por factores naturales -gravedad- y antropogénicos -deforestación, agricultura y ganadería- arrastrado y depositado por las corrientes de agua superficiales -principalmente ríos- en las partes bajas continentales y en mayor grado en las cuencas oceánicas, proceso que gradualmente va acumulando sedimentos, hasta llegar el momento que se produce un "salto": la conversión del suelo depositado en roca sedimentaria, después de miles y en algunos casos millones de años. Así se producirá el movimiento cíclico del suelo que inició como roca para transformarse en suelo, éste por el proceso de erosión, arrastre y depositación se convierte en roca sedimentaria, con lo que se cierra el ciclo. Este ciclo requiere millones de años, por consiguiente, a escala humana no es perceptible, solo es producto del pensamiento abstracto, que puede "viajar" al pasado y al futuro.

El ciclo de la roca y el suelo como uno de sus momentos, es más complejo que el descrito más arriba, como se observa en la imagen siguiente.

Imagen 11. Ciclo de las rocas

En la imagen anterior, se presenta el ciclo de las rocas. Históricamente la roca ígnea antecede a los otros tipos de rocas, ya que formación producto del enfriamiento del magma se produjo hace unos 4,000 millones de años y que por el proceso de intemperismo físico-químico y luego biológico se transformó en suelo. Este por acción de la atmósfera -clima- y la gravedad es erosionado, depositado y litificado en roca sedimentaria, que por aumentos de temperatura y presión es transformada en roca metamórfica, que también nuevos aumentos de temperatura y presión es transformada en magma que la enfriarse se convierte en roca ígnea, con lo que se cierra el ciclo de las rocas, siendo el suelo uno de sus momentos de su prolongado movimiento cíclico. Las fuerzas que mueven al ciclo de las rocas, son el calor y el frío, que en el fondo no son más que la atracción -frío- y la repulsión -calor-. Asimismo, en el movimiento cíclico, cada uno de los momentos. Roca ígnea, suelo, roca sedimentaria, roca metamórfica y magma; son cambios cualitativos -"saltos"- producidos después de una prolongada acumulación de cambios graduales. En suma, el el ciclo de las rocas, están las tres leyes universales de la dialéctica, lo cual no es de extrañar, ya que la roca es la unidad de los general y lo singular.

En fin el suelo es un complejo material contradictorio: materia orgánica vs materia orgánica estructurada en horizontes y de vital importancia para la vida.

5. Conclusiones

Las leyes universales de la dialéctica, como marco de referencia para el estudio de las ciencias particulares, especialmente de la naturaleza de los coloides orgánico-minerales, es una valiosa "herramienta" teórica que permite explicar racionalmente el objeto de estudio, que permite definir al suelo como un complejo material contradictorio: materia orgánica vs materia inorgánica, de vital importancia para la vida.

Los coloides orgánico-minerales del suelo son fundamentales para la nutrición de las plantas, por su capacidad de intercambio iónico, particularmente el intercambio catiónico, que es el más extendido en los suelos. La capacidad de intercambio aniónico es marginal y solo está presente en los hidróxidos de fierro y aluminio de carga positiva en los suelos de las regiones tropicales. Por esta razón se debe ser muy prudente en el manejo de fertilizantes a base de aniones, los cuales deberán ser aplicados en varias dosis en correspondencia con la el desarrollo fenológico de las plantas, para reducir al mínimo las pérdidas por lavado.

El humus presenta una mayor capacidad de retención de cationes y de humedad, en comparación con los coloides minerales, principalmente las arcillas, pero que aunados en el complejo orgánico-mineral del suelo, ambos contribuyen en la sustentabilidad de la fertilidad del suelo.

Finalmente, el suelo es un momento del prolongado movimiento cíclico de la roca, por lo que por la acción de fuerzas naturales -sobre todo la gravedad-, el clima y causas antropogénicas, será erosionado, transportado y depositado en las cuencas continentales, pero principalmente en las cuencas oceánicas, que mediante un proceso de litificación se convertirán en rocas, con lo que el suelo completará su ciclo en la roca que le dio origen.

6. Bibliografía

Hegel Federico. 1812-1816. Ciencia de la Lógica. Traducción de Mondolfo Rodolfo (1960). Buenos Aires, Argentina.

Internet.