La chimica dei chelanti ed i metalli chelati

Generalmente gli elementi nutritivi possono essere somministrati sottoforma di sali inorganici.


Questi si sciolgono in acqua liberando le loro due componenti ioniche di segno elettrico opposto (Anione e Catione) e questi possono venire assorbiti dalle piante.

Ad esempio; se si introduce il sale “Nitrato di Potassio” (KN
O3), questo in acqua si scinderà nelle sue due componenti:

  • Lo ione Positivo (Catione) Potassio (K+)
  • Lo ione negativo (Anione) Nitrato (NO3-)


Potassio e Nitrato potranno quindi venire assorbiti dalle piante come fonte di Potassio ed Azoto.
La maggior parte degli elementi importanti per la vita acquatica possono quindi essere inseriti (ovvero
è bene che siano inseriti) in questa forma (sale inorganico).

Ma ci sono delle eccezioni.
Costituite da:

  • Carbonio (fornito come gas sciolto in acqua => Acido Carbonico)
  • Microelementi (dosati generalmente sottoforma di un composto organico chiamato “chelato”).


Tralasciamo in questa sede la diffusione in acqua della CO2 gassosa e veniamo quindi ai chelati.


Elementi instabili in soluzione
Abbiamo già detto altre voltre che ci sono degli elementi (come i cosiddetti Microelementi che si presentano in soluzione acquosa sotto una forma chimico-fisica instabile.
A causa di questo, questi elementi subiscono, nell’ambiente acquatico, delle trasformazioni chimico-fisiche che li portano ad assumere forme caratterizzate da una bassissima solubilità.
In questo caso questi elementi non rimangono in soluzione acquosa ma assumono forma solida e precipitano verso il fondo.
Una volta precipitati, non essendo più disciolti, non possono più venire assorbiti dalle foglie e steli delle piante acquatiche.

Un tipico esempio è costituito dal Ferro, che si presenta allo stato solubile sottoforma di Ferro bivalente (ovvero dotato di 2 cariche positive => Fe2+).
Questo stato però è caratterizzato da una bassissima stabilità e molto velocemente viene ossidato.
Ovvero perde un altro dei suoi elettroni e passa, dalla forma bivalente alla forma trivalente (ovvero dotato di 3 cariche positive => Fe3+).

Il Ferro trivalente è però insolubile in acqua e quindi precipita sottoforma di solido verso il fondo.

Il Ferro in realtà non è l’unico elemento che risenta di variabili fisico-chimiche dell’ambiente circostante e di interazioni con altri elementi che possono portarlo a modificare il suo stato chimico-fisico ed a renderlo indisponibile alle piante.

In generale questo è vero per almeno 4 elementi aventi importantissima rilevanza nutrizionale per le piante.
1) Ferro
2) Manganese
3) Zinco
4) Rame

Per questi elementi riveste particolare utilità fornirli in acqua non in forma ionica libera (es. il catione Mn2+), ma in una forma cosiddetta “chelata”.
Ovvero in una forma in cui questi elementi sono ritenuti all’interno di un composto, chiamato appunto chelato (di Manganese, di Ferro, di Zinco, di Rame, etc.).

Questo composto viene creato mettendo in contatto l’elemento chimico da “chelare” (Ferro, Manganese, Zinco, Rame, etc.) ed una molecola facente parte di una classe di cosiddetti “chelanti”.


Cosa
è e come agisce un chelante
Un chelante è fondamentalmente un composto chimico che forma un buon numero di legami di vario tipo con alcuni ioni. Nel formare questi legami la molecola del chelante modifica la sua disposizione spaziale (la sua forma), finendo letteralmente per avvolgere lo ione chelato, intrappolandolo.

Alla fine assomiglia quasi ad una mano che afferra una pallina e la stringe in pugno.

Possiamo vedere quanto detto sopra, mostrando quanto avviene dall'incontro tra il chelante EDTA (Acido Etilendiamminotetracetico) ed il Ferro.

chelante


Così facendo il chelante riduce di molto la disponibilità dello ione chelato a prender parte in altre reazioni chimico-fisiche, impedendo quindi la sua precipitazione e permettendogli di rimanere in soluzione molto più a lungo.


Concentrazione ed Attività Ionica Libera
Allo stesso tempo però, per via delle forze di legame con cui lo tiene stretto, il chelante abbassa di molto anche la disponibilità alle piante (ma non solo) dello ione chelato.

In questi casi, per lo ione chelato è necessario parlare non solo e non tanto di Concentrazione, ma di “Attività Ionica Libera” (FIA = Free Ion Activity).

La concentrazione ci riferisce circa la quantità totale presente in acqua (chelata), mentre la Attività Libera ci riferisce circa la quota parte di questa quantità totale che risulta biodisponibile.
Ovvero, mentre per elementi non chelati tutta la quantità che si trova disciolta in acqua è, a meno di interazioni e precipitazioni, fondamentalmente disponibile (ad esempio alle piante che coltiviamo), per gli elementi chelati lo è solo per una piccola quota parte (data dall’Attività Ionica Libera).

Questa quota parte è funzione di molte variabili, essenzialmente il tipo di chelante usato (la forza di legame del chelante per lo ione chelato) ed il rapporto tra le quantità di chelante e di ione chelato.

L’Attività Ionica Libera purtroppo non si può misurare ma si può calcolare tramite software appositi, a partire dalla conoscenza delle concentrazioni di tutte le specie chimiche prendenti parte alle reazioni.


Biocondizionatori
Quello spiegato sopra
è il modo con cui i famosi Biocondizionatori “detossificano” i metalli pesanti.
Nella loro composizione sono presenti dei chelanti che chelano i metalli presenti in acqua abbattendo la loro biodisponibilità e quindi la loro pericolosità.
Questo va ovviamente sempre bene per ioni di metalli particolarmente pericolosi/dannosi e che non hanno alcun valore nutrizionale per le piante come ad esempio il Piombo. Per altri ioni….dipende.

Ad esempio… Il Rame è un metallo pesante piuttosto tossico per gli organismi acquatici.
Ma, allo stesso tempo, è un nutriente indispensabile per le piante e gli animali.
E può esercitare un ruolo piuttosto che l’altro in funzione della sua concentrazione.
Ovvero, in presenza di un chelante, in funzione essenzialmente della sua Attività Ionica Libera (biodisponibilità).

E questo è vero un pò per tutti i microelementi.

Dunque quando si usa un chelante su di uno ione che è anche un nutriente per le piante bisogna fare le cose con molto criterio; scegliere il chelante più idoneo, e quindi fissare l’Attività Ionica Libera desiderata dosando correttamente il rapporto tra chelante e ione chelato.
Troppo alto e lo ione può diventare indisponibile.
Troppo basso e lo ione può risultare tossico.


Raffronto tra elementi liberi vs chelati
Da quanto detto si evince che non ha alcun senso paragonare le due forme (ionica/libera e chelata) di un elemento cercando di valutarne gli effetti sulla base semplicemente delle due concentrazioni.
Questo poichè andrebbero più correttamente paragonate la concentrazione della forma libera con l’Attività Ionica Libera della forma chelata.
Ovvero, l’effetto su di un organismo (animale o vegetale) della stessa quantità di un certo elemento è fondamentalmente diversa in funzione del fatto che si presenti libero oppure chelato; in funzione della tipologia di chelante utilizzato (diverza forza di legame), ovvero del diverso grado di chelazione (diverso rapporto tra quantità di chelante e di elemento chelato).

Ad esempio, 0,5 mg/l di Rame libero sono tossici per tutti gli organismi animali o vegetali, ma la stessa quantità può essere resa totalmente atossica se opportunamente chelata per abbattere la sua Attività Libera fin sotto la soglia di tossicità.


Disponibilit
à del Ferro chelato per le piante acquatiche
Detto questo, che ha validità generale, è importante in particolare approfondire un poco la chimica-fisica in acqua dei complessi Ferro-Chelati.
Il Ferro nella sua forma ossidata (ferrica) forma complessi chelati stabili con vari chelanti.
Ed è questa la forma nella quale noi lo introduciamo in acqua a scopo nutritivo per le piante.

Ricordiamo però che le piante assorbono il Ferro nella sua forma ridotta (ferrosa).
Le piante allora possono assorbire il Ferro strappandolo al chelante (passando attraverso una riduzione a Ferroso), oppure possono trarre vantaggio di una importante caratteristica dei complessi Ferro-chelati.
Quella di venire abbattuti dalle radiazioni luminose di bassa lunghezza d’onda (nel campo del blu).
Quando questo avviene il chelante degrada ossidandosi a spese del Ferro da lui chelato, che si riduce.

A questo punto, sia per il fatto che il chelante è stato degradato, che per il fatto che i legami che esso forma con il Ferro ridotto sono molto meno forti rispetto a quelli formati originariamente con il Ferro ossidato, le piante riescono facilmente ad assorbire il Ferro che più preferiscono; quello ridotto.
In questo senso i complessi Ferro-chelati possono agire anche come dei composti a lento rilascio di Ferro ridotto, pilotati dalle radiazioni luminose.

Come si vede l‘argomento chelati è molto vasto ed impegnativo da trattare.
In particolare formulare un buon integratore di microelementi chelati non è affatto banale, essendo necessario tenere conto di molte variabili; di progetto ed ambientali.


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