Molecular Dynamics Simulations of the Standard Leonardite Humic Acid: Microscopic Analysis of the Structure and Dynamics

Resumo

As substâncias húmicas (SH) são abundantes no meio ambiente e desempenham papel importante em vários processos biogeoquímicos, incluindo atividade microbiana, agregação do solo, crescimento de plantas, retenção e liberação de nutrientes, destino ambiental de poluentes e armazenamento de carbono. As SH são moléculas flexíveis, relativamente pequenas que formam estruturas supramoleculares com interações fracas. Apesar da grande importância de entender seu comportamento no nível atômico, a modelagem computacional uma técnica de alta resolução que fornece um grande nível de detalhes, tem sido surpreendentemente pouco empregada para estudar substâncias húmicas. Neste trabalho usamos o recentemente desenvolvido Vienna Soil Organic-Matter Modeler para criar modelos representativos de uma amostra real de SH, o ácido húmico Leonardita padrão. Simulações de dinâmica molecular foram usadas para sondar a estrutura e a dinâmica do sistema em uma faixa de níveis de hidratação. Os sistemas estudados foram caracterizados em termos de suas propriedades físico-químicas, incluindo densidade, propriedades dielétricas, ligação de hidrogênio, etc. Além disso, a força de sorção foi estimada para três pequenos compostos orgânicos: benzaldeído, propan-2-ol e acetona. Surpreendentemente, os modelos SH quando foram validados contra dados experimentais mostrando notável concordância com as propriedades calculadas. Por fim, produzimos modelos equilibrados do ácido húmico Leonardita padrão, com seus parâmetros de campo de força correspondentes,  disponíveis no Vienna Soil Organic-Matter Modeler.

Abstract

Humic substances (HS) are abundant in the environment and play an important role in a number of biogeochemical processes including microbial activity, soil aggregation, plant growth, the retention and release of nutrients, the environmental fate of pollutants, and carbon storage. They are flexible, relatively small molecules forming supramolecular structures through weak interactions. Despite the great importance of understanding their behavior at the atomic level, computational modeling, a premier high-resolution technique providing great level of detail, has been surprisingly little-employed to study humic substances. Here, we use the recently developed Vienna Soil Organic-Matter Modeler to create representative models of a real HS sample, the standard Leonardite humic acid. Molecular dynamics simulations were used to probe the structure and dynamics of the system at a range of hydration levels. The studied systems were characterized in terms of their physicochemical properties, including density, dielectric properties, hydrogen bonding, etc. Moreover, the strength of sorption was estimated for three small organic compounds: benzaldehyde, propan-2-ol, and acetone. Strikingly, the HS models were validated against experimental data showing a remarkable agreement with calculated properties. Finally, we make the equilibrated models of the standard Leonardite humic acid, together with corresponding force-field parameters, available at the Vienna Soil Organic-Matter Modeler.