بررسي نقش آهن به عنوان يك فلز كليدي در فرآيند زندگي گياهان

۰-۱ مقدمه
آهن يكي از عناصر فلزي معمول است كه %۶/۴ از سنگهاي آذرين و %۴/۴ از سنگهاي رسوبي را تشكيل مي‌دهد. محدوده غلظت آهن در خاكهاي معمولاً از %۲/۰ تا %۵۵ تغيير مي‌كند ( ۲۰۰۰ تا ۰۰۰/۵۵۰) غلظتهاي آهن مي‌توانند در مناطق مختلف بسته به نوع خاك و حضور ساير منابع تغيير كنند.

خاكهاي شني كمترين و خاكهاي رسي بيشترين ميزان آهن را دارند. آهن مي‌تواند در هر دو حالت دو ظرف (فروس يا ) يا سه ظرفيتي (فريك يا ) تحت شرايط محيطي بخصوص وجود داشته باشد. حالت ظرفيتي آهن توسط PH و پتانسيل redox سيستم تعيين مي‌شود و تركيبات آهن وجودشان وابسته به ميزان دسترسي ساير تركيبات شيميايي هم هست (همانند سولفور كه براي تشكيل شدن پيريت يا مورد نياز است). آهن براي رشد گياه الزامي بوده و عموماً به عنوان يك ريزمغذي محسوب مي‌گردد. آهن به عنوان يك فلز كليدي در نقل و انتقالات محسوب شده و براي سنتز و ساير فرآيندهاي زندگي سلولها مورد احتياج است . در نتيجه گياهان سعي در تسريع جذب آهن دارند. آهن فروس بسيار حلال ‌تر بوده و قابليت دسترسي گياه به آهن از آن فريك بيشتر است. ( -FEDOH)Gothite شكل غالب كاني آهن در خاكهاست. حالت دو ظرفيتي يا فروس مي‌تواند به حالت سه ظرفيتي يا فريك اكسيد شده كه در حالت اخير مي تواند تشكيل رسوبات هيدرواكسيد يا اكسيد را داده و براي گياهان به عنوان يك ريز مغذي، غير قبل دسترس گردد. عوامل عمومي كه بر قابليت تحرك و

تثبيت آهن تأثير گذارند. شرايط قليايي و اكسيداسيوني هستند كه تشكيل ر سوب اكسيدهاي آهن محلول را تسريع مي‌كنند يا شرايط اسيدي و احياء كه حلاليت تركيبات فروس را تسريع مي‌كنند. قابليت در دسترس بودن آهن فروس و فريك همچنين به ميزان آب خاك محيط نيز وابسته است. براي مثال محيطهاي كاهيده كه شامل زمينهاي پست و خاكهاي باتلاقي) هستند قابليت در دسترس بودن آهن فروس را براي گياهان تسريع مي‌كنند. در حالي كه محيطهاي اكسيده (زمينهاي مرتفع يا خاكهاي بازهكشي خوب) تشكيل رسوب

تركيبات اكسيد فريك را تسريع مي كنند كه براي گياهان قابل جذب نيست. اگر آهن فروس زيادي وجود داشته باشد سميت آهن ممكن است است براي گياهان رخ دهد. ولي وقوع اين حالت تا حد زيادي به گونه گياهي بستگي دارد همينطور اگر آهن فروس بسته به رسوب تركيبات آهن فريك در خاكها در دسترس نباشد كمبود آهن يا كلروز ممكن است رخ دهد. مديريت خاك مناسب مي‌تواند به كنترل PH و شرايط آب خاك كمك نموده و غلظتهاي بهينه آهن فروس را در دسترس گياهان قرار دهد. عموماً تعيين مقياسي مشخص براي آهن خاكها به علت اينكه قابليت در دسترس بوده آهن براي گياهان و يا ايجاد مسموميت به ويژگيهاي خاك نظير PH يا Eh و ميزان رطوبت خاك بستگي دارد مشكل است.

براي تخمين اين ويژگيها و پتانسيل به وجود آمدن كمبود و يا سميت آهن براي گياهان پيشنهاد گرديده كه Eh و PH خاك هر دو در مزرعه باز هم اندازه‌گيري شوند.

۰-۲ ژئوشيمي آهن
آهن در اكثر كانيهاي اوليه (فاز اكسيد و فرو منگنز) در حالت اكسيده فروس ، وجود دارد كه از حالت فريك آهن يا بسيار حلالتر است.

چندين نوع مختلف از اكسيدهاي آهن كه هركدام داراي حلاليت متفاوتي هستند وجود دارند عكس ۱-۲ حلاليت چندين اكسيد آهن گزارش شده معمول ر ا با هم مقايسه مي‌كند. كانيهاي آهن آزاد كه در خاك وجود دارند به عنوان كليدي براي شناخت خصوصيات خاك و براي افق‌هاي خاك مورد استفاده قرار مي‌گيرند. كانيهاي آهني كه به صورت پدوژنيكي تشكيل مي‌شوند در جدول ۱-۲ آمده‌اند.

جدول ۱-۲ انواع كانيهاي آهن
خصوصيات فرمول شيميائي كاني
هماتيت داراي رنگ قرمز روشن بوده، در خاكهاي به شدت هوازده مناطق خشك، نيمه خشك و مرطوب وجود داشته و اغلب به جاي مانده‌ از مواد مادري است. فقط به ميزان كمي از گئوتيت معمولتر بوده و همانند گئوتيت در محيطهاي اكسيده پايدار است. اگر چه به علت اينكه مي‌تواند به مي‌تواند به تحت شرايط احياء كه در خاكهاي ابداع اتفاق مي‌افتد كاهيده شود در شرايط احياء پايدار نيست.
Hematite
ماگميت در خاكهاي به شدت هوا زده مناطق مرطوب و اغلب همراه با هماتيت مگنتيت و يا گئوتيت يافت مي‌شود.
Maghemite
مگنتيت يك اسيد آهن مغناطيسه بوده كه معمولاً در اندازه‌هاي شن يافت مي‌شود و غلب به جاي مانده از مواد مادري است. اكسيداسيون مگنتيت ماگميت را حاصل مي‌آورد كه آن هم مغناطيسه است.
Mdgntite
فري هيدريت يك كاني معمول ولي غير پايدار است و به راحتي در مناطق گرم به هماتيت و در مناطق معتدل مرطوب به گئوتيت تبديل مي گردد.
Ferrihydrite
معمولترين كاني آهن خاك تحت شرايط اقليمي متفاوت از معتدل نامرطوب رنگ قهوه‌اي و زرد بسياري از خاكهاي به علت حضور همين كاني است حتي اگر مقدار آن كم باشد. تحت شريط اكسيده پايدار است اگر به چه علت احياء و در خاكهاي اشباع تحت اين شرايط غير پايدار است.
Goethite
در خاكهاي بازهكشي كم مناطق معتدل و مرطوب يافت مي‌شود . شرايط مساعد تشكيل اين كاني PH كم، دماي كم و عدم حضور است.

Lepidocrocite
در خاك غير معمول است به عنوان يك كاني مقاومت به هوازدگي از سنگهاي آذرين مادري به جاي مي‌ماند.
Ilmenite
به طور گسترده‌اي در خاكهاي در آب غوطه‌ور شده حاوي سولفور (خاكهاي سولفاته اسيد) توزيع گرديده‌اند.
Pyrite
به طور گسترده‌اي در خاكهاي در آب غوطه ور شده حاوي سولفور (خاكهاي سولفات اسيدي) توزيع گرديده‌اند.
Ferrous sulfide
به طور گسترده‌اي در خاكهاي در آب غوطه ور شده حاوي سولفور (خاكهاي سولفاته اسيدي) توزيع گرديده‌اند
Jdrosite

 

حلاليت معمولاً بوسيله حضور اكسيدهاي محلول‌تر كنترل مي‌شود، در نتيجه رسوبات تازه magnetite بي شكل يا محلولترين اكسيدهاي بوده و عموماً فعاليت و حلاليت را بسته به ميزان Redox كنترل مي‌كنند. تحت شرايط اكسيده ، – soil ( كه كريستاله قابليت حل شدن و تبديل شدن به هيدروكسيدهاي بي شكل و اكسيدهاي ترسيناله به حد واسط است) حلاليت را كننترل مي نمايد. اگر اين مقدار از ۵/۱۱ كمتر باشد magnetite نا زماني كه (Feco3)sidrite شكل بگيرد. فاز پايدار است. ساير اكسيدهاي بر طبق كاهش حلالت عبارتند از:

۱-۲ تأثير فرآيندهاي هوازدگي بر آهن
واكنش آهن و فرآيند هوازدگي تا حد زيادي به سيستم محيط و درجه اكسيداسيون تركيبات شامل آهن دارد. پتانسيل الكتروني براي جفت برابر ۷۷/۰ است. قانون عمومي كه بر تحريك و تثبيت آهن حاكميت دارد اين است كه در شرايط اسيدي و قليايي رسوب اكسيدهاي آهن نامحلول را تسريع مي‌كند ولي شرايط احيايي و اسيد حلاليت تركيبات فروس را تسريع مي‌كنند. آهن آزاد شده به آساني به صورت اكسيدها و هيدوراكسيدها رسوب مي‌كند ولي با Mg و AL در ساير كانيها جابه جا شده و با ليگاندهاي آلي تشكيل كمپلكس مي‌دهد رفتار كلي آهن در منطقه هوازدگي مي‌تواند در چهار عنوان زير خلاصه گردد:

۱- در محيط اكسيده با حاكميت جو، آهن تشكيل goethite كه كاني پايداري است را مي‌دهد. در طي يك روند طبيعي در زياد و كم (محيط سوفاته اسيدي) Jarosite ممكن است شكل بگيرد و در شرايط غني از مواد آلي آهن به صورت كلاتها در محلول جابه جا مي‌شود.

۲- در محيط كاهيده كه باكتريها كربن را براي كاهيدن به و به S استفاده مي‌كنند زياد بودن پيريت را بوجود مي‌آورد كم بودن و زياد بودن و ، در محلول باقي مي‌ماند.
۳- Glauconite تنها سيليكات آهن اتوژنيك است كه در رسوبات جديد شكل مي‌گيرد. اگر جه اسمكتايتهاي آهن در منطقه هوا زده وجود دارند. اينگونه تغييرات حاصل فيلوسيليكاتهاي فرو منيزيم هستند.

۴- آهن اكثراً به شكل هيدوكسيدهاي ذره‌اي و ريز يا بصورت پوشش به دانه‌هاي ريز جابه جا مي‌شود تقسيم بنديها بوسيله سرعتهاي ته نشين شدن گوناگون به انجام رسيده‌اند.
۲-۲ تأثير شرايط خاك بر آهن
اكسيد آهني كه در خاكها حضور دارد به شرايط زيادي همانند ميزان رطوبت، PH و ميزان اكسيژن خاك وابسته است در خاكهاي مرطوب ولي با شرايط اكسيده اكسيد آهن نوعاً بايد در حالت اكسيد آهن هيدراته يافت گردد.
در خاكهاي مرطوب با شرايط hypoxic اكسيد آهن به طور مشخص در حالت فروس يافت مي‌گردد. تبديل شدن به حالت فروس براي تشخيص مرز تيپيكال خاكهاي هيدريك زمينهاي پست بكار مي‌رود.
حلاليت آهن معدني در خاكهاي بازهكشي خوب بوسيله عدم حلاليت و تشكيل رسوب اكسيدهاي كنترل مي‌گردد. همانند حالت قبل غلظت به PH ، افزايش غلظت از تا مول به ازاي افزايش PH از ۴ تا ۸ بستگي دارد. غلظتهاي زياد قابليت دسترسي آهن را در خاكهاي آهكي كاهش مي‌دهند. به غير از شرايط ويژه تغيير شكل يك اكسيد به حالت ديگر در خاكها به علت حلاليت كم اين كانيها به آهستگي اتفاق مي‌افتد. اين كانيهاي اكسيد بخصوص، ممكن است در خاكها براي يك تناوب زماني طولاني بدون تغيير شكل كلي به كانيهاي غيرمحلول‌تر باقي بمانند. در خاكهاي مختلف و بخصوص در خاكهاي با PH كم، اكسيدهاي آهن مي‌توانند در سطوح رسها تشكيل رسوب بدهند.

اينگونه پوششها در PH هاي بالاتر پايدارند، همچنين در ظاهر ژل‌ مانند بوده ممكن است در حالت مرطوب جريان پيدا كنند و در هنگام گرم شدن منقبض شده و تشكيل حفره بدهند و براي چسبيدن ذرات اوليه و تشكيل خاكدانه‌ها همانند سيمان عمل مي‌كنند. اينگونه پوششهاي بي شكل در هنگام پيرشدن و گذشت زمان تشكيل فرمهاي كريستاله را مي‌دهند.
اكسيدهاي آهن كريستاله و آمورف نقش اصلي را در استحكام يافتن ساختمان خاك بازي مي كنند اكسيدهاي آهن به كانيهاي آهن از طريق كاهش غلظت بحراني انعقاد، پراكندگي

رس،‌ جذب آب و انقباض رس انبساط رسها و همچنين بوسيله افزايش Microdggregdtion پايداري مي‌بخشند. آنها مي‌توانند پايداري خاكدانه، قابليت نفوذپذيري، تخلخل و هدايت هيدروليكي خاكدانه ها را افزايش دهند. همچنين اين اكسيدهاي بي شكل مي توانند انقباض و انبساط، پراكندگي رسها، چگالي حجمي و انقطاع را كاهش دهند. تشكيل اكسيدهاي آهن همچنين بوسيله مواد آلي و باكتريها تحت تأثير قرار مي‌گيرد باكتريها ممكن است تبديل بين حالتهاي مخلتف ظرفيتي آهن را اكسيده كند اين باكتريها براي تأمين انرژي براي

متابوليسم خود را به اكسيده مي‌كنند مكانيسم اين عمل در زير نشان داده‌شده است.

تعدادي از باكتريهاي معمول آهن شامل Ferroba cillus ، crenothrix Lephthrix و Gallionella هستند كه بصورت لعاب باكتريهايي در سيستمهاي آبي مشاهده شده‌اند به علاوه بعضي گونه‌هاي باكتريايي همانند، Metallogenius sp. در چرخه آهن شركت كرده و به عنوان تجمع دهنده آهن در سطح سلولهاي زنده‌شان شناخته شده‌اند توزيع آهن قابل عصاره‌گيري در خاكها به حضور موادآلي وابسته است. آهن با مواد آلي تشكيل كلاتهاي آهن را مي‌دهد. اسيد هوميك خاك در PH بيشتر از ۳ با قدرت زيادي آهن را جذب كرده و يا تشكيل كمپلكس مي‌دهد.

ساير تشكيلات خاك كه را جذب مي‌كنند شامل اكسيدهاي كريستاله، كانيهاي رسي و اكسيدهاي هيدراته آهن و منگنز هستند جدول تعدادي از ثوابت جذب را براي آهن در سطح كانيهاي رسي، سيليكاد و مواد آلي نشان مي‌دهد. حلاليت آهن مقدمتاً به حلاليت اكسيدهاي هيدراته مربوط مي‌شود. بعلاوه حلاليتهاي آهن ممكن است بطور قابل توجهي تحت تأثير ساير تركيبات آهن شامل فسفاتها، سولفيدها و كربناتها قرار گيرد. تفاوتها در مقادير پتانسيل redox خاك ممكن است دلائل ديگري براي افزايش حلاليت آهن در خاكهاي باشند عموماً در خاكهائي با زهكشي خوب و مناسب، اكسيدهاي حلاليت آهن را كنترل مي كند. اگر چه فرايندهاي احياء در خاك، كنار ريشه‌هاي تنفس كننده و در تنفس كننده و در سايتهاي ميكرو جائي كه مواد آلي قوياً degrade مي‌شوند و عموماً در خاكهائي غرق شده در آب رخ مي دهد. تغيير در خواص خاك همانند PH ، مقادير پتانسيل redox مي‌تواند آهن را جزئي از فراكسيونهاي غير محلول كرده و قابليت دسترسي آنرا براي گياهان كاهش دهد. در خاكهاي آلي %۵۰ آهن در فراكسيون سولفيد و مواد آلي يافت شده ولي مقادير كمتري از اين شكل آهن در افقهاي خاك در كانيها مشاهده گرديده است. اكثراً آهن در اكسيدهاي آهن كريستاله و بي شكل و فراكسيونهاي باقيمانده قرار گرفتند بودند.

شرايط احياء قوي در خاك فراكسيون آهن و اكسيدها را با فراكسيونهاي تبادل، آلي و منيزيوم- اكسيد در اتباط است متحرك نموده و آنرا براي جذب توسط گياهان آماده مي‌نمايد. افزايش در ميزان PH يا Eh يعني اينكه شرايط اكسيده آهن را از شكلهاي آلي و تبادلي به فراكسيونهاي غير محلول در آب و اكسيد- آهن جابه جا مي‌نمايد. PH و اضافه نمودن مواد آلي به خاك باعث ايجاد شرائط احياء با تناوب خشك و مرطوب شدن مي‌گردد در پاسخ به افزايش مواد آلي آهن از شكلهاي كم محلول به شكلهاي تبادلي و آلي تغيير مي كند.

آهن در فراكسيونها مي‌تواند تفاوت داشته باشد. از جمله محلهاي مرداني كه ظاهراً به ميزان احياء اكسيداسيون مربوط مي‌گردد. شخم زدن مي‌تواند PH و ساير خصوصيات خاك را تغيير داده ودر حلاليت آهن موثر باشد. شكل گونه هاي نمونه‌ آهن را تحت شرايط مختلف PH و En نشان مي دهد. تشكيل تركيبات بحراني آهن همانند همچنين به قابليت دسترسي ساير مواد شيميائي مثلاً در مورد اخير به گوگرد در سيستم بستگي دارد. فازهاي جامدي كه در شكل نشان داده شده‌اند (سيدريت)، (پيريت) و fes هستند احتمال وجود در شرايط محيط طبيعي وجود ندارد مگر اينكه محيط به شدت اكسيده باشد.

۰-۳ اثرات آهن و گياهان
آهن يكي از عناصر ريز مغذي است كه به شكل ( ) توسط گياهان جذب مي‌گردد آهن براي شكل گرفتن كلروفيل II و شركت در آنزيمهايي كه براي سيستمهاي تنفسي لازم هستند وجودش ضروري است. اكثر آهن موجود در خاكهاي با تهويه مناسب بصورت يون فريك يا ( ) است كه برخلاف يون فرو ( ) براي گياهان غير قابل دسترس مي‌باشد. كمبود آهن ممكن است هنگامي كه كانيهاي خاك بطور مرتب آهن فروس ( ) را جانشين اهن فروس قبلي كه به آهن فريك اكسيده گرديده نكنند ايجاد گردد. و يا كمبود آهن مي‌تواند در نتيجه وجود مس و منگنز زيادي باشد. منگنز و مس عواملي هستند كه موجبات اكسيد شدن فروس را به حالت فريك پديد مي‌آورند. در خاكهاي اسيدي كه ما انتظار درايم آهن به اندازه نياز گياهان وجود داشته باشد. سميت منگنز موجبات كمبود آهن را فراهم مي‌آورد.

۱-۳ ضرورت آهن
آهن از سال ۱۸۴۵ به عنوان يك عنصر ضروري براي گياهان شناخته شده است. آهن براي رشد گياهان لازم بوده و عموماً به عنوان يكريز مغذي آن را مي‌شناسيم. همچنين آهن براي شكل گرفتن كلروفيل II و شركت در بعضي آنزيمهاي كه در سيستمهاي تنفسي شركت دارند ضروري است. آهن در خاكها و سنگها يك عنصر فراوان بوده ولي معمولاً به عنوان يك ريز مغذي در خاكها در كمبود است. اين مشكل به طبيعت بسيار نامحلول تركيبات آهن فريك بر مي‌گردد. اين تركيبات در خاكهاي با هوازدگي شديد تجمع پيدا كرده و عضو اصلي خاكهاي

سرخ مناطق تروپيك محسوب مي‌شوند. بازمانده‌هاي فسيلي بعضي خاكهاي قديمي شامل آهن به اندازه كافي براي رفع نياز آهن هستند. هر چند اين تركيبات بسيار نامحلول بوده و نمي‌توانند نياز گياهان به آهن را حتي به عنوان يك ريز مغذي رفع نمايند. مكانيسم جذب آهن انتقال آهن بوسيله گياهان مطالعات زيادر را به خود مشغول داشته است چون اين

مكانيسم يك فرايند كليدي در رفع نياز آهني گياهان مي‌باشد. در اكثر اوقات شدت‌هاي متفاوت كمبود آهن در گياهان به علت فاكتورهاي خاك كه عدم حلاليت آهن را تشديد مي‌كنند رخ مي‌دهد. به نفش متابوليك آهن در گياهان سبز نسبتاً پي برده شده است. و آهن را به عنوان يك عنصر فلزي كليدي در انتقال انرژي كه براي سنتز و ساير فرآيندهاي زندگي سلول مورد نياز است به حساب مي‌آورند. نقش اساسي آهن در بيوشيمي گياهان مي‌تواند بصورت زير خلاصه گردد.

– آهن در پروتئينهاي هم غير هم وجود داشته همچنين عضو مهم كلروپلاستهايي مي‌باشد.
– كمپلكس ‌هاي آهن آلي در مكانيسم انتقال الكترون فتوسنتزي شركت مي‌كنند.
– پروتئينهاي غير هم در احياء نيتراتها و سولفاتها نقش دارند.
– به نظـر مي‌رسد كه آهن نقش مستقيمي در متابوليسم اسيدهاي نوكلئيك داشته باشد.
– همچنين نقشهاي ساختماني و كاتاليزوري براي و شناخته‌ شده‌اند.
۲-۳ كمبود آهن
هنگامي كه كمبود آهن در گياهان روي مي‌دهد تفاوت صريح بين رگبرگهاي سبز و سبز كمرنگ يا زرد بافت ما بين رگبرگها آشكار مي‌گردد.
اين كمبود كلروفيل در برگ گياهان را كلروز گويند. برگهاي جوان بيشتر از برگهاي پير تحت تأثير قرار مي‌گيرند. به علت اينكه آهن درگياه نسبتاً نامتحرك مي‌باشد.
عاملي كه در خاكهاي با تهويه خوب باعث كلروز در گياهان مي‌گردد نامحلول بودن اكسيدهاي است در شرايطي كه پتانسيل اكسيد و احيايي يا PH و يا هر دو افزايش پيدا كنند. قابليت جذب آهن از محول خاك به گياهان به شدت كاهش مي‌يابد.

پتانسيل اكسيد و احيايي بحراني بري احياء بين ۱۰۰ ميلي ولت و ۳۰۰ ميلي ولت در PH برابر ۶ و ۷، و ۱۰۰ – ميل ولت در PH برابر ۸ است. كمبود آهن ممكن است در خاكهاي غيرآهكي با بافت شني هم رخ دهد ولي كمبودهاي آهن بيشتر در خاكهاي آهكي معمول هستند غلظت تعادلي آهن در فاز محلول سيستمهاي آهكي خيلي كم است. در دسترس بودن آهن در خاكها براي جذب توسط گياه تا اندازه زيادي بهPH خاك ، ليگاندهاي كمپلكس شده و پتانسيل اكسيد و احياء بستگي دارد. رطوبت اضافي خاك آهن فروس را كه محلول تر و متحرك‌تر است افزايش مي‌دهد. يك محيط آبگرفته (باتلاقي) منتج به كاهش در پتانسل اكسيد و احيايي مي‌گردد. خاكهايي بازهكشي ناقص اغلب حاوي ماتل‌هاي زنگ زده هستند كه در اثر جا به جا شدن آهن فروس متحرك به مكانهاي كه در آنجا اكسيد شده و رسوب كرده‌اند بوجود مي‌آيند.