The scientific understanding of the molecular size and shape of humic substances (HS) is critically reviewed. The traditional view that HS are polymers in soil is not substantiated by any direct evidence but is assumed only on the basis of laboratory experiments with model molecules and unwarranted results produced by incorrectly applying either analytical procedures or mathematical treatments developed for purified and undisputed biopolymers. A large body of evidence shows an alternative understanding of the conformational nature of HS, which should be regarded as supramolecular associations of self-assembling heterogeneous and relatively small molecules deriving from the degradation and decomposition of dead biological material. A major aspect of the humic supramolecular conformation is that it is stabilized predominantly by weak dispersive forces instead of covalent linkages. Hydrophobic (van der Waals, π-π, CH-π) and hydrogen bonds are responsible for the apparent large molecular size of HS, the former becoming more important with the increase of pH. This innovative understanding of the nature of HS implies a further development of the science and technology for the control of the chemistry and reactivity of natural organic matter in the soil and the environment.

Maintaining food production for a growing world population without compromising natural resources for future generations represents one of the greatest challenges for agricultural science, even compared with the green revolution in the 20th century. The intensification of agriculture has now reached a critical point whereby the negative impacts derived from this activity are now resulting in irreversible global climate change and loss in many ecosystem services. New approaches to help promote sustainable intensification are therefore required. One potential solution to help in this transition is the use of plant biostimulants based on humic substances. In this review we define humic substances in a horticultural context. Their effects on nutrient uptake and plant metabolism are then discussed and a general schematic model of plant-humic responses is presented. The review also highlights the relationship between the chemical properties of humified matter and its bioactivity with specific reference to the promotion of lateral root growth. Finally, we summarize and critically evaluate experimental data related to the overall effect of humic substances applied to horticultural crops. Current evidence suggests that the biostimulant effects of humic substances are characterized by both structural and physiological changes in roots and shoots related to nutrient uptake, assimilation and distribution (nutrient use efficiency traits). In addition, they can induce shifts in plant primary and secondary metabolism related to abiotic stress tolerance which collectively modulate plant growth as well as promoting fitness. In conclusion, the exogenous application of humic substances within agronomic systems can be used to aid the development of sustainable intensification. As most humic substances used in agriculture are currently derived from non-renewable resources like coal and peat, the promotion of this technology also requires the development of new sustainable sources of humic products (e.g. organic wastes).

Abstract Background Humic acid affects plant growth. Its source and structure may play a central role to its functionality. The relationship between humic acid and plant bioactivity is still unclear. This study investigated the biostimulation effects of two natural humic acids derived from soil (SHA) and lignite (LHA) on Lepidium sativum in comparison to a synthetic humic acid model (HALP) with known structure. Results All humic acids positively affected cress seed germination and root elongation. Greater root hairs density and dry matter, compared to control, were observed using concentration of 5 mg L −1 for HALP, 50 mg L −1 for LHA, and 100 mg L −1 for SHA. The germination index was the largest (698% more effective than control) with 50 mg L −1 of SHA, while it was 528% for LHA, and 493% for HALP at 5 mg L −1 . SHA contained the lowest aromatic and phenolic C content, the largest pK 2 value of 9.0 (7.7 for LHA and 7.6 for HALP), the least ratio between the aromaticity index and lignin ratio (ARM/LigR) of 0.15 (0.66 for LHA and 129.92 for HALP), and at pH 6.3 the lowest amount of free radicals with a value of 0.567 × 10 17 spin g −1 (1.670 × 10 17 and 1.780 × 10 17 spin g −1 for LHA and HALP, respectively), with the greatest g value of 2.0039 (2.0035 for LHA and 2.0037 for HALP). Conclusions The overall chemical structure of humic acids exerted a biostimulation of cress plantlets. The level of the intrinsic stable free radicals identified by EPR in the humic acids resulted well correlated to the ARM/LigR ratio calculated by NMR. Our results suggested that HA biostimulation effect is related to its applied concentration, which is limited by its free radical content. The modulation of the humic supramolecular structure by ROS and organic acids in root exudates can determine the release of bioactive humic molecules. When the content of the intrinsic humic free radicals is high, possible molecular coupling of the bioactive humic molecules may hinder their biostimulation activity. In such cases, a low humic acid concentration appears to be required to achieve the optimum biostimulation effects. Graphical Abstract

Aquatic humic substances (AHS) are defined as an important components of organic matter, being composed as small molecules in a supramolecular structure and can interact with metallic ions, thereby altering the bioavailability of these species. To better understand this behavior, AHS were extracted and characterized from Negro River, located near Manaus city and Carú River, that is situated in Itacoatiara city, an area experiencing increasing anthropogenic actions; both were characterized as blackwater rivers. The AHS were characterized by 13C nuclear magnetic ressonance and thermochemolysis GC–MS to obtain structural characteristics. Interaction studies with Cu (II), Al (III), and Fe (III) were investigated using fluorescence spectroscopy applied to parallel factor analysis (PARAFAC) and two-dimensional correlation spectroscopy with Fourier transform infrared spectroscopy (2D-COS FTIR). The AHS from dry season had more aromatic fractions not derived from lignin and had higher content of alkyls moities from microbial sources and vegetal tissues of autochthonous origin, while AHS isolated in the rainy season showed more metals in its molecular architecture, lignin units, and polysacharide structures. The study showed that AHS composition from rainy season were able to interact with Al (III), Fe (III), and Cu (II). Two fluorescent components were identified as responsible for interaction: C1 (blue-shifted) and C2 (red-shifted). C1 showed higher complexation capacities but with lower complexation stability constants (KML ranged from 0.3 to 7.9 × 105) than C2 (KML ranged from 3.1 to 10.0 × 105). 2D-COS FTIR showed that the COO− and C-O in phenolic were the most important functional groups for interaction with studied metallic ions.