Как железо влияет на растения

Обновлено: 05.10.2024

Железо - микроэлемент, который усваивается растениями в наибольшем количестве, поэтому его иногда относят к макроэлементам. Однако по физиологическим функциям это типичный микроэлемент. Железо имеет ведущую роль среди всех металлов, имеющихся в растениях. Это доказывает, что оно содержится в тканях растений в больших количествах, чем другие металлы. Так, содержание железа и марганца в листьях достигает сотых долей процента, тогда как концентрация цинка выражается тысячными долями, а содержание меди - не превышает десятитысячных долей процента.

Железо является функциональной частью ферментативных систем растений. Особенно важна его роль в окислительном и энергетическом обмене, в образовании хлорофилла.

Органические соединения, в состав которых входит железо, необходимые для протекания биохимических процессов, происходящих при дыхании и фотосинтезе. Это объясняют очень высоким уровнем их каталитических свойств, которые во много раз превышают неорганические соединения железа.

Каталитическое действие железа связано с его способностью менять степень окисления. Атом железа окисляется и восстанавливается сравнительно легко, поэтому соединения железа являются переносчиками электронов в биологических процессах. В основе реакций, которые происходят при дыхании растений лежит процесс переноса электронов. Он осуществляется ферментами - дигидрогеназамы и цитохромами, содержащие железо.

С урожаем культур выносится от 0,6 до 9 кг/га этого элемента. Избыток железа приводит к отмиранию листьев без изменения их темно - зеленой окраски. Кроме того, подавляется рост растений, они образуют мало цветков, вянут, верхушки побегов отмирают.

Любая причина, ограничивающая доступность железа для растений приводит к тяжелым заболеваниям. В случае нарушения и ослабление процессов фотосинтеза и дыхания вследствие недостаточного образования органических веществ, из которых строится организм растений, и дефицита органических резервов, происходит общее расстройство обмена веществ. Поэтому при острой нехватке железа неизбежно наступает гибель растений. У деревьев и кустарников зеленая окраска верхушечных листьев исчезает полностью, они становятся почти белыми и постепенно засыхают.

Характерным признаком недостатка железа в питании растений являются заболевания молодых листьев на хлороз. Они приобретают желто - белый окрас, старые листья становятся светло- зелеными. Растения отстают в росте, цветки формируются мелкие. Чаще дефицит железа выявляется у кукурузы, сорго, бобовых, плодовых и овощных культур. Валовое содержание железа (Fe ₂ 0 ₃ ) в почвах колеблется от 1 до 11%. Тяжелые по гранулометрическому составу почвы содержат его больше. Чаще недостаток железа для растений наблюдается на карбонатных или на переизвестковых почвах.

Как железные удобрения используют железный купорос и хелаты железа.
Железный купорос FeSO ₄ • Н ₂ 0 содержит 47-53% сульфата железа. Это кристаллическое вещество серого цвета, часто с белым, иногда желтым или бурым налетом. Удобрение хорошо растворяется в воде.

Хелаты железа - соединения органических веществ с железом, не поглощаются почвой и легко усваиваются растениями. В сельском хозяйстве применяют комплекс железа с диэтилэнтриаминпентауксусной ( Fе - ДТПО ) и полиэтиленполиамин -
полиуксусной ( Fе - ПППО) кислотами. Это растворы темно - коричневого цвета плотностью 1 - 1,3 г/см 3 . В препарате Fе - ДТПО антихлорозина содержится не менее 10 %, а в Fе - ПППО - не менее 7 % железного комплекса.

Аналогичные комплексонаты цинка, меди, марганца, а также кальция и магния и других элементов также используют в качестве удобрения. Лигандами в них преимущественно является тетрауксусной, этилендиаминды (О - гидроксифенуксуная), гидроксилендиамин тетра - уксусная и пентауксусные кислоты, соли глюконовой и глюкокептоновой кислот. Удобрения в виде хелатов вносят в почву и используют для внекорневой подкормки и выращивания овощей гидропонным способом. Они растворимы в воде, что облегчает их применение, не разрушаются микроорганизмы почвы и поэтому долго сохраняются в почвенном растворе. Кроме того, введение комплексонатов в почву позволяет мобилизовать микроэлементы, находящиеся в нем в недоступных для растений формах.

В настоящее время наибольшее распространение в производстве и применении получили композиции для обработки семян, для внекорневой подкормки растений, в том числе и для садов, а также специальные композиции с полным набором микроэлементов для тепличных хозяйств, прежде всего для гидропонных теплиц, где без этих композиций выращивания растений просто невозможно

Железные удобрения используют преимущественно для внекорневой подкормки, поскольку в почве минеральные формы железа быстро связываются в малодоступные для растений соединения. На щелочных почвах хелаты железа образуют устойчивые, но растворимые и усваиваемые растениями соединения, но широкое внесение хелатов в почву ограничивается высокой их стоимости. Поэтому железные удобрения применяют для внекорневой подкормки - 0,5-1 % раствор железного купороса или 0,15-0,5 % раствор железного комплекса. Растворы изготавливают в железных, пластмассовых или стеклянных резервуарах. При этом они не должны контактировать с медными, цинковыми или латунными деталями. Внекорневые подкормки растений с признаками хлороза проводят 2-3 раза в утренние или вечерние часы.

Железо (химический символ Fe) является одним из шести микронутриентов или микроэлементов, необходимых для роста и размножения растений. Из многих особых свойств железа его способность легко подвергаться изменениям валентности, или легко окисляться, является сущностью его биологической важности. В большинстве научных публикаций и исследований обсуждается железо в почве, где оно присутствует в виде минералов (например, гематит), неорганических осадков (например, оксидов железа), органических комплексов (например, гуматы) и ионов в почвенном растворе. Химически это происходит в двух формах или степенях окисления: Fe 3+ и Fe 2+ . Двухвалентное железо легко окисляется до трехвалентного, которое практически нерастворимо в воде. В нормальных, хорошо аэрированных сельскохозяйственных почвах активно происходят процессы окисления и, следовательно, преобладает трехвалентное железо. Эти явления являются главной причиной проблемы дефицита железа в сельскохозяйственных культурах.

Как и все питательные вещества для растений, железо должно находиться в водном растворе, для того, чтобы корни смогли его поглотить. Любой фактор, который уменьшает активность или концентрацию растворенного железа (ионов Fe), будет отрицательно влиять на поглощение. Эта реакция сильно зависит от уровня рН - активность растворимого железа уменьшается в 1000 раз при каждом повышении рН на единицу.

Функции железа

Железо требуется растениям для производства хлорофилла и активирования нескольких ферментов, особенно тех, которые участвуют в фотосинтезе и дыхании. Он также участвует в синтезе белка и формовании цвета фруктов. Хотя точная роль производства хлорофилла до сих пор не ясна, была продемонстрирована определенная зависимость между содержанием железа и хлорофилла в листьях растений. Прерывание производства хлорофилла в дефицитных железом растениях, конечно же, является причиной универсального зрительного симптома - хлороза.

Железо в основном поглощается растениями в почве в виде железа (Fe 2+ ). Однако, поскольку большинство сельскохозяйственных почв содержат железо в форме железа (Fe 3+ ), растения должны каким-то образом сначала растворить Fe 3+ , а затем уменьшить его до Fe2 + так, чтобы он мог проходить через плазматическую мембрану корня волос (плазмалемму). Точный механизм, описывающий данный процесс, еще плохо изучен. По-видимому, он варьирует между видами растений.

У большинства культур поглощение железа является активным процессом, требующим энергии. Корневые волоски растения выделяют протоны (ионы H + ) и экссудаты в окружающую почву. Протоны помогают растворить Fe 3+ , снижая pH, и способствуют хелированию ионов Fe 3+ фенольными экссудатами. На поверхности корня хелат железа Fe 3+ восстанавливается до хелата железа Fe 2+ , который легко высвобождает Fe 2+ для поглощения корневыми волосками. Как только он перешел в корень, Fe 2+ окисляется до Fe 3+ и затем хелатируется ионами цитрата. Железо-цитратный хелат затем транспортируют в активно растущие области растения. После транслокации железо имеет тенденцию фиксироваться и не может быть повторно переведено из органа в орган. По этой причине симптомы дефицита железа имеют тенденцию влиять только на новый рост.

Дефицит железа

Почти без исключения дефицит железа приводит к хлорозу молодых, быстро растущих листьев, а более старые листья остаются темно-зелеными. Жилки остаются резко зелеными в отличие от желтых межжилковых областей. В растениях с параллельными жильными листьями (например злаки) наблюдается эффект трамплина. На широколиственных растениях видна тонкая сетчатая структура (см. рис). Вначале вены остаются зелеными, что дает сетчатый рисунок. На поздних стадиях жилки также становятся хлоротичными и могут разрушаться, и весь лист кажется отбеленным. Некроз обычно не возникает до заключительных этапов развития симптомов.

Диагностика и устранение дефицита железа

Визуальные симптомы достаточно характерны для точной диагностики дефицита железа. Если есть сомнения, можно провести опрыскивание соединениями железа - реакция обычно очень быстрая. Общее действие хлороза с дефицитом железа является снижением фотосинтетической активности, необходимой для роста и развития. Это, в свою очередь, снижает урожайность сельскохозяйственных культур и их экономическое использование человеком. Дефицит магния также показывает хлороз в межжилковых областях, но эти симптомы начинаются на более старых листьях, а хлороз имеет более желто-оранжевый цвет. Дефицит марганца также показывает хлороз на более молодых листьях, но вены остаются зелеными даже при серьезном дефиците.

Высокий уровень доступного молибдена может уменьшить поглощение Fe, вызывая осаждение молибдата железа на поверхности корней. Наиболее распространенной причиной дефицита железа в растениях является высокий уровень pH - доступность железа уменьшается, когда рН выше 7. Недостаток железа может быть вызван слабым дренированием субстрата. Недостаток железа также может быть вызван слишком большим содержанием марганца.

Оптимальные концентрации железа для различных растений разнятся. К примеру, для большинства выращиваемых виноградных культур питательный раствор должен содержать 2-3 ppm Fe (2-3 мг/л).

Избыток железа

Накопление железа в клетках может быть и токсичным. Оно может действовать каталитически для генерирования гидроксильных радикалов, которые могут повреждать липиды, белки и ДНК. Из-за потенциальной токсичности, связанной с высоким уровнем железа, клетки хранят железо с внутриклеточным белком ферритином, который выделяет железо контролируемым образом. Этот белок производится почти всеми живыми организмами, включая водоросли, бактерии, высшие растения и животные.

Диагностика и устранение избытка железа

Токсичность железа, главным образом, возникает там, где уровень pH падает достаточно, чтобы создать избыток доступного железа. Как и с некоторыми другими питательными веществами, видимые признаки токсичности железа, вероятно, будут проявляться признаком дефицита другого питательного вещества. Накопление железа, также может возникать при недостатке цинка. Избыток железа может приводить изменению цвета листвы к более темно-зеленому.

Железо в питательных растворах

Для гидропоники в составе питательных веществ используются сульфат железа (железный купорос) или хелатные соединения железа. Хелаты железа, как правило, менее склонны к осаждению в щелочных условиях и обычно являются предпочтительными для применения. Подробнее читайте в статье "Хелаты металлов".

25.01.2017

Физиологическая роль микроэлемента. Железо (Fe) является микроэлементом, который усваивается растениями в самом большом количестве. Содержание железа и марганца в листьях растений достигает сотых долей процента, в то время как концентрация цинка выражается тысячными долями, а содержание меди – не превышает десятитысячных долей процента. Именно поэтому железо иногда относят к макроэлементам, хотя по своим физиологическим функциям оно является типичным микроэлементом.

Железо является функциональной составляющей, частью ферментативных систем растений. Особенно важна его роль в окислительном и энергетическом обменах, а также в образовании хлорофилла. Поэтому органические соединения, в состав которых входит железо, прежде всего, необходимы растениям для протекания биохимических процессов, происходящих во время дыхания и фотосинтеза.

Таким образом, в биохимии растений железу отводится одна из ключевых ролей, поскольку:

· процессы образования хлорофилла проходят при участии железа;

· при фотосинтезе, органические комплексы железа принимают участие в перенесении электронов;

· негемовые железосодержащие белки принимают участие в восстановлении нитритов и сульфатов;

· железо принимает непосредственное участие в метаболизме нуклеиновой кислоты.

Симптомы дефицита. Дефицит железа – проблема для многих сельскохозяйственных культур. Большинство типов почв содержит достаточное количество железа для обеспечения им растений. Недостаток железа наблюдается в основном на карбонатных щелочных почвах в засушливых условиях с плохим воздушным режимом. Нехватка этого элемента отрицательно влияет на многие физиологические процессы, происходящие в тканях растений, приводит к ослаблению их роста и развития и, как следствие, снижению урожайности.

Характерным признаком недостатка железа является хлороз наиболее молодых листьев, при этом жилки листа становятся видны детально (межжилковый хлороз). При сильном дефиците железа листья приобретают желтую до белизны окраску. В этом случае удобрение железом проводить уже бесполезно. У капусты цветной листья мраморно-хлоротичные, вначале и позднее – полностью хлоротичные. У свеклы столовой молодые листья хлоротичные с заметной красной окраской. У томата появляется интенсивный пятнистый хлороз, возникающий у оснований долей вершинных листьев. Стебель и вершины также желтеют.

Симптомы избытка микроэлемента. Избыток железа случается довольно редко, при этом прекращается рост корневой системы и всего растения. На кислых почвах в условиях избытка влаги или на засоленных с низким содержанием фосфора и оснований избыточные концентрации железа могут оказывать токсический эффект на растения. Темно-зеленые листья, замедленный рост, темно-коричневые до пурпурных листья у некоторых растений (бронзовая болезнь риса), поврежденные листья и некротические пятна – наиболее распространенные проявления токсического действия железа. Если в силу каких-либо причин избыток железа оказался очень сильным, листья начинают отмирать и осыпаться без всяких видимых изменений.

При избытке железа затрудняется усвоение фосфора и марганца, поэтому могут проявляться и признаки недостатка этих элементов. Однако растения, хорошо обеспеченные питательными веществами, особенно кальцием и диоксидом кремния, могут выдерживать очень высокие концентрации железа.

Потребность сельскохозяйственных культур в железе. Из всех металлов-микроэлементов в растении наибольшее содержание приходится на долю железа. Нормальный уровень содержания железа в зеленых листьях большинства растений – 100-200 мг/кг сухого вещества. Очень требовательны к железу такие растения, как овес, рис, шпинат, плодовые деревья.

Содержание элемента в различных типах почв. Концентрация железа в почвенных растворах колеблется в пределах 30-550 мкг/л, возрастая с повышением кислотности (до 2000 мкг/л). Минимальные значения содержания растворимого железа отмечают при щелочных значениях рН. Именно поэтому кислые почвы богаты неорганическим железом вплоть до токсичных уровней, а в щелочных, хорошо аэрируемых почвах низкие концентрации растворимого железа не могут удовлетворить потребности растений. При высоком значении рН и обогащении почвы фосфором железо осаждается в виде солей и становится менее доступным для растений. Поэтому внесение минеральных солей железа в почву не позволяет устранить его недостаток у растений, поскольку ионы железа сразу же переходят в недоступное состояние. Отрицательно действуют на физиологическую активность железа также избыток кальция и марганца в почвенном растворе. Нитратное питание ограничивает, а аммонийное усиливает поглощение растениями железа. Для почвенного железа характерно сильное сродство к подвижным органическим комплексам и хелатам.

Виды железосодержащих удобрений и их применение. В качестве железосодержащих удобрений применяют сульфат железа (содержит около 20% железа) и хелаты железа (10-17% железа). Большинство исследователей считают, что хелатная форма железа эффективнее при листовых подкормках. Однако есть результаты, показывающие, что неорганическая форма железа при условии корректного применения адъювантов имеет такой же эффект, особенно на технических культурах – кукурузе, сорго.

Хелаты железа состоят из трех компонентов: ионов железа, хеларирующего агента (EDTA, DTPA, EDDHA, аминокислоты, гумино- и фульвокислоты, лимонная кислота) и ионов натрия или аммония. Различные агенты удерживают ион железа с разной силой при разных значениях рН. При высоких концентрациях кальция и магния эти элементы способны замещать в хелате ион железа. Возможность и скорость такого замещения также зависит от хелатирующего агента.

Хелат Fe-EDTA стабилен при рН ниже 6. При рН 6,5 около 50% железа переходит в недоступную форму, поэтому его использование не имеет смысла на щелочных и карбонатных почвах, где он легко замещается кальцием. Хелат Fe-DTPA более устойчив (до рН 7,0), железо в нем не замещается кальцием. Хелат Fe-EDDHA наиболее устойчив (работает в диапазоне рН до 11), однако он самый дорогой.

Предпосевная обработка семян. Концентрация железа для многих сельскохозяйственных растений при обработке семян неорганическими солями железа составляет 1-2,5%. Однако гораздо чаще железо включают в комплексы микроэлементов для обработки семян. Для культур, чувствительных к дефициту железа, для обработки семян эффективно использовать хелат Fe-EDDHA. Он представляет собой сухой порошок, который смешивают с водой и обрабатывают этим раствором семена перед посевом. Лучшие результаты достигаются путем совмещения предпосевной обработки и листового внесения Fe-EDDHA в течение вегетации культуры.

Внесение железосодержащих удобрений в почву. Обычно неорганические формы для внесения в почву не используют из-за быстрого закрепления железа в почве, хотя для бедных на железо почв в некоторых регионах мира это практикуют. В американских исследованиях рядковое внесение 80 кг сульфата железа на гектар повышало урожайность кукурузы на 15%.

При почвенном внесении хелаты железа с EDDHA и EDDHMA будут наилучшим выбором, обеспечивая стабильность препаратов и доступность железа на очень щелочных почвах. Хелаты железа с HEDTA, DTPA и EDTA также можно использовать для почвенного внесения на почвах с рН>6. Внесение в почву хелатов железа – эффективный способ доставить этот элемент в растение, однако исторически стоимость таких обработок была слишком высока. В настоящее время разработан ряд препаратов для обработки семян, содержащих в составе Fe-хелаты и приемлемых по цене. Таким образом, железо попадает в почву и сразу используется проростками.

Внекорневые подкормки. Для предотвращения и лечения хлорозов путем листовых подкормок эффективны как хелатные формы железа, так и неорганические (сульфат железа, нитрат железа). Для листовых подкормок хелаты с EDTA используются в подавляющем большинстве случаев, в том числе и для железа. При очень жесткой воде можно использовать Fe-DTPA. Концентрация железа в растворе по д.в. – 0,5 мг/л.

Большое значение имеет концентрация железа – поглощение листьями усиливается с уменьшением концентрации этого элемента в растворе.

Еще один, достаточно экзотический пока для наших условий способ внесения железа – инъекции растворов микроэлементов в плодовые деревья. Так, весеннее и осеннее введение 1% раствора сульфата железа в яблони позволило устранить хлороз, вызванный недостатком железа, на 3-4 года и было очень малозатратно. В настоящее время разрабатываются методы, снижающие инфицирование деревьев при инъекциях в них различных препаратов, что является основным препятствием для распространения этого способа.

Хелаты железа в жидких готовых удобрениях разрушаются под действием света, соответственно, рекомендуется хранить такие препараты в затемненном месте.

Железо очень важно для растения и является основным металлом внутри растения. Некоторые ученые даже относят железо к макроэлементам. Фотосинтез и дыхание будут являться основными процессами, в которых участвует железо внутри растения. Так как железу отведена главная роль в синтезе хлорофилла, его недостаток будет сказываться в первую очередь на молодых листьях в виде проявления межжилкового хлороза. Так же железо активно участвует в преобразовании нитратного азота до аммонийного в нутрии растения, то есть при нехватке железа часть нитратной формы будет накапливаться внутри растения и не переходить в белок, что в конечном итоге скажется на будущем урожае.

К культурам любящим железо можно отнести: плодовые культуры, сорго, овес, бобовые культуры, рис, кукуруза. У бобовых культур железо совместно с молибденом будет участвовать в азотфиксации клубеньковым аппаратом.

Каким образом растение потребляет железо из почвы корневой системой?

В почве большое количество железа, находящегося в недоступной форме в составе различных минералов. В почве в ионной форме находится трехвалентное и двухвалентное железо, но для растения доступно только двухвалентное, соответственно растение питается только двухвалентным железом. В почве двухвалентное железо способно окисляться до трехвалентного, поэтому окисление железа является основной причиной того, что в грунте железа чаще всего не хватает.

Степень доступности железа зависит от водородный показателей почвы. Оптимальным диапазоном, при котором максимально усваивается железо от четырех до шести с половиной. Кислотность почвы влияет на растворимость трехвалентного железа, то есть чем ниже кислотность, тем лучше растворимо трехвалентное железо. В очень кислых почвах, при водородном показателе от четырех до пяти с половиной и при очень мокрой почве, может наблюдаться даже избыточное потребление железа. Избыток железа в растении, так же как и его недостаток, будут пагубно влиять на развитие растения. При водородном показателе почвы, превышающем отметку шесть с половиной, растворимость железа очень сильно падает, что приводит к хлорозу у молодых листьев и недостатку железа в растении.

Большое количество фосфора и недостаток калия так же могут ухудшать потребление железа корневой системой. Использование быстро разлагающихся удобрений, а так же удобрений, которые подкисляют почву, будут уменьшать, а известкование наоборот увеличивать железное голодание у растений. Как говорилось ранее, растение корневой системой потребляет двухвалентное железо, но так как в почве преобладает трехвалентное железо, то растение каким-то образом сначала растворяет трехвалентное железо, а потом уже преобразовывает до двухвалентного железа.

При малом количестве двухвалентного железа корневая система растений выделяет в почву ионы водорода, либо же органические кислоты, тем самым улучшая растворимость трехвалентного железа. После этого в грунте происходит процесс хелатирования, в результате которого трехвалентное железо в виде хелата поступает на поверхность корневой системы. На поверхности корневой системы хелат трехвалентного железа преобразуется до хелата двухвалентного железа, после чего двухвалентное железо отделяется от хелатирующего вещества и попадает внутрь корневой системы. Дальше же происходит процесс окисления в результате которого этот двухвалентный ион железа становится трехвалентным, тот в свою очередь хелатируется и уже в виде хелата поступает по растению используя сосудистую систему, закрепляясь в большей степени в листьях.

Основные удобрения, содержащие железо.

Чаще всего используют удобрение с большим содержанием железа под названием сульфат железа (другое название – железный купорос). В железном купоросе содержится двухвалентное железо, то есть доступное для растения. При покупке обязательно нужно смотреть, чтобы железный купорос был марки А, в этой марке в составе очень мало остатков серной кислоты. Если же купить марку В, можно просто сжечь растение.

Лучшим способом внесения сульфата железа, будет применение по листу, потому что если вносить в грунт, то двухвалентное железо с быстрой скоростью окисляется до трехвалентного и становится недоступным для растения.

Концентрация железа в рабочем растворе при работе по вегетации должна быть от 0,5 до 1%, то есть на каждые сто литров рабочего раствора идет от пятисот грамм до килограмма сульфата железа. При работе с сульфатом железа желательно, или даже обязательно применять прилипатели, так как железо длительное время усваивается через листовой аппарат. Так же хелаты железа часто используют чтобы напитать растение этим элементом.

Если у вас недостаток железа, то, скорее всего у вас водородный показатель почвы превышает отметку семь, то есть в щелочных почвах применяется самый дорогой из видов хелата железа, поэтому, скорее всего в девяноста девяти и девяти процентов случаев вы применять хелат при посеве не будете. В таких почвах проще на старте дать какие-то кислые удобрения, например азотные, которые содержат аммонийный азот, тем самым вы улучшите растворимость железа в почве, соответственно на старте будет больше поступать железа через корневую систему. После этого вы уже сможете по листу накормить растение железом, либо с помощью сульфата железа с прилипателем, либо самым дешевым хелатом ЕДТА (можно приготовить его самостоятельно с помощью лимонной кислоты или аскорбиновой кислоты и сульфата железа).

Железо – химический элемент, жизненно необходимый для питания растений. Один из главных компонентов литосферы, второй по содержанию после кремния и алюминия. Является действующим веществом железосодержащих удобрений. Удобрения данного элемента применяют в форме опрыскивания растений. В почву железо не вносят, поскольку оно быстро переходит в неусвояемые формы. Для внесения в почву применяют органические соединения железа – хелаты.

Содержание:

Есть и другие примеры подобной исторической несправедливости. Так, во времена Гомера самой распространенной крупной валютой были рабы, бычьи шкуры и железо. Даже будучи неочищенным, плохо кующимся и не качественным по всем другим показателям, железо ценилось аж в десять раз выше, чем золото, ведь тогда оно было самым прочным из всех известных материалов, и, к тому же, добывалось с большим трудом.

Прошли столетия. Сыродутный способ получения металла оказался забыт, ему на смену пришло использование современных доменных печей. Качество получаемого железа в разы улучшилось, люди познакомились со сталью, однако, наряду с повышением прочности и ковкости, стоимость железа все больше падала, так, что сейчас его уже нельзя назвать дорогим. Тем не менее, если говорить о ценности этого металла, то кое-где он по-прежнему остался необходимым, незаменимым и востребованным. Все золото мира не заменит того небольшого количества железа, которое содержится в каждом организме и поддерживает его жизнь… [7]

Железная руда

Физические и химические свойства

Железо (Ferrum) Fe – химический элемент побочной подгруппы VIII группы периодической системы Менделеева. Атомный номер – 26. Атомная масса – 55,85. Строение атома железа типично для переходных элементов. Это определяет переменную валентность и ярко выраженную способность к комплексообразованию у данного металла. [1]

Для железа характерны двухвалентные и трехвалентные соединения. Известны также соли железистой кислоты, где железо шестивалентно.

Железо – пластичный металл серебристого цвета, хорошо поддается ковке, прокатке и прочим видам механической обработки.

Плотность – 7,87 г/см 3 ,
Температура плавления – 1539°С,
Температура кипения – 2870°С.

Твердое железо растворяет в себе многие элементы, в частности, углерод. На влажном воздухе железо ржавеет, то есть покрывается налетом гидратированного оксида железа бурого цвета. Данный оксид рыхлый и от дальнейшей коррозии железо не защищает. В воде данный металл интенсивно корродирует. При обильном доступе кислорода формируются гидратные формы оксида трехвалентного железа. При недостатке кислорода образуется смешанный оксид.

Металл легко растворяется в соляной кислоте любой концентрации, в разбавленной серной кислоте, в азотной кислоте. К концентрированным серной и азотной кислотам железо пассивно. [3]

Содержание в природе

Железо – самый распространенный после алюминия металл на земле. Его масса составляет 4 % от массы земной коры. В природе оно встречается в виде самых разнообразных соединений: сульфидов, оксидов, силикатов. В свободном состоянии железо можно встретить только в метеоритах.

Важнейшие руды железа – магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк. В больших количествах встречается железный колчедан. [3]

Железо концентрируется преимущественно в основных сериях магматических пород. Глобальная распространенность железа составляет 45 %.

Геохимия соединений Fe в окружающей среде имеет сложный характер, определяется способностью элемента легко менять валентность в зависимости от физико-химических условий среды и тесно связана с циклами углерода, кислорода и серы.

Обычно окислительные и щелочные условия среды способствуют осаждению железа, а восстановительные и кислые растворяют его соединения. Свободное железо быстро фиксируется в виде гидроксидов и оксидов, замещает магний и алюминий и образует комплексы с химическими лигандами. [4]

В почвах железо присутствует в основном в виде оксидов и гидроксидов и находится либо в виде небольших частиц, либо связано с поверхностью минералов. В богатых органикой горизонтах железо присутствует в форме хелатов.

К почвообразующим минералам железа относят:

Гематит. Встречается в почвах аридных, семиаридных и тропических районов. Наследуется от материнских пород.
Маггемит. Образуется в сильно выветрелых почвах тропических зон и чаще всего присутствует в скоплениях гематита, магнетита, гетита.
Магнетит. Унаследован от материнских пород. Тесно связан с маггемитом.
Ферригидрит. Широко распространен, но очень нестабилен, легко переходит в гематит в районах с умеренными гумидами.
Гетит. Распространенный в почвах всех климатических зон минерал железа.
Лепидокрокит. Типичен для плохо дренируемых почв (рисовых полей) и почв умеренных гумидных районов. Образование данного минерала осуществляется при низких значениях pH, низкой температуре и в отсутствии трехвалентного железа.
Ильменит. В почвах обычно не встречается. К выветриванию устойчив. Унаследован от материнских пород.
Пирит, сульфид железа и ярозит. Серосодержащие минералы. Широко распространены в затопляемых почвах с содержанием серы, например, в кислых сульфатных.

И минералы, и органические соединения железа легко преобразуются в почвах. При этом органическое вещество оказывает большое влияние на образование оксидов железа.

Соединения железа с органикой почвы является важным резервом доступных соединений данного металла для растений. С железом взаимодействуют гуминовые вещества, органические кислоты, сидерофоры, фенолы.

Взаимодействие железа с гуминовыми веществами сопровождается образованием водорастворимых и малорастворимых в воде соединений. На растворимость комплексов влияют многие факторы, в частности, химическая природа, соотношение компонентов, а также реакция среды. Как правило, гуминовые кислоты характеризуются большей склонностью к образованию нерастворимых соединений с металлами, чем фульвокислоты. В этой связи фульватные комплексы железа рассматривают как важный фактор, определяющий и миграцию этого металла по почвенному профилю, и его доступность растениям. [1]

Преобразование железа осуществляется и микроорганизмами. Некоторые виды бактерий вовлечены в круговорот данного элемента и аккумулируют его на поверхности живых клеток. [4]

Содержание железа в различных типах почв Украины, согласно данным: [2]

Почва

Железо, %

Чернозем на мергеле (Крым)

Южный чернозем

Перегнойно-карбонатная

Среднеподзолистая

Содержание железа в различных типах почв

Содержание железа в почвах СНГ составляет около 3,11 % и зависит от типа почвообразующей породы. Установлено, что колебания в содержании железа в пахотном горизонте различных почв достигают значительных величин.

Подзолы

Перегнойно-карбонатные почвы

Южные черноземы на мергеле

Среднеподзолистые почвы

Кислые почвы

Заболоченные почвы

характеризуются процессом восстановления двухвалентного железа до трехвалентного. Этот процесс обеспечивает увеличение растворимости железа. Он тесно связан с метаболической деятельностью некоторых бактерий и может приводить к высокой концентрации двухвалентного железа в некоторых затопляемых почвах. [4]

Карбонатные почвы

и почвы с высоким содержанием усвояемых фосфатов содержат недостаточно железа, что объясняется переходом его в малодоступное для растений состояние. [5]

Дерново-подзолистые почвы

Слабо аэрируемые кислые почвы

содержат большое количество закисных соединений железа. Данные соединения отрицательно влияют на рост растений. Устраняется это известкованием почв. [5]

Признаки дефицита железа, согласно данным: [6]

Культура

Симптомы недостатка

Картофель

Верхушки и края молодых листьев зеленые, середина – белесая

Томаты

Хлороз проявляется на молодых листьях, но даже мелкие жилки сохраняют зеленый цвет;

Усиление – мелкие жилки утрачивают зеленый цвет, пластинка становится желто-белой

Огурцы

Хлороз – на молодых листьях основного и бокового побегов;

Зеленые только основные и боковые жилки;

Пластинка листа – от светло-зеленой до желто-белой;

В дальнейшем на листьях появляются некротические пятна, а хлороз распространяется на старые листья

Малина

Молодые листья на верхушечных побегах – желтоватые, около краев появляются коричневые пятна отмершей ткани.

Черная смородина

Хлороз на молодых листьях верхушечных побегов.

Яблоня

Молодые листья на побегах – хлоротичные, почти белые с коричневыми пятнышками на краях;

Хлороз на листьях уменьшается сверху вниз;

При длительном дефиците отдельные ветви отмирают;

Плоды палево-землистого цвета

Роль в растении

Биохимические функции

Основные функции железа

Железо играет активную роль в окислительно-восстановительных реакциях хлоропластов, митохондрий и пероксисомы, а также выполняет многие другие функции в растениях.

Участие железа в окислительно-восстановительных реакциях определяется легкой переменой валентности и высокой способностью к комплексообразованию.

Важная роль железа в биохимии растений подтверждается следующими факторами:

Железо обнаруживается в геме и негемовых белках и концентрируется в хлоропластах.
Органические комплексы железа участвуют в переносе электронов в процессе фотосинтеза.
Негемовые железосодержащие белки участвуют в восстановлении нитритов и сульфатов.
Процесс образования хлорофилла осуществляется с участием железа.
Железо вовлекается в метаболизм нуклеиновой кислоты.
Известна каталитическая и структурная роль двухвалентного и трехвалентного железа. [4]

Формы и соединения железа в тканях и органеллах клеток растений

В растение железо поступает в двухвалентной форме. В дальнейшем восстановленная форма железа проходит через реакции реокисления, и в тканях уже содержится и Fe (II), и Fe (III), в большей части в комплексах с различными органическими соединениями.

В строме пластид

железо запасается в виде фитоферритина, который состоит из соединений трехвалентного железа и белковой оболочки. Фитоферритин чаще всего находится в кристаллической форме. Его содержание велико в листьях, выращенных в темноте, но в процессе зеленения на свету фитоферритин быстро исчезает. Он локализуется также в ксилеме и флоэме, кроме того, встречается в клубеньках бобовых и в семенах.

В анопласте клеток

значительная часть железа находится в физиологически неактивной форме и сосредоточена в виде малорастворимых соединений.

Большая часть железа в растениях находится в трехвалентном состоянии, тогда как физиологически важной является фракция Fe (II)/Fe (III), поскольку именно эта фракция подвержена обратимым окислительно-восстановительным превращениям.

Цитрат железа (III)

– основная форма транспорта железа из корней в побеги растений, который осуществляется по ксилеме. Подвижность данного элемента во флоэме средняя. Она ниже, чем у калия, азота, фосфора и серы, но выше, чем у кальция и марганца.

В составе ферментов

Гем – это железопорфириновый комплекс. Атом железа в нем координируется четырьмя атомами азота пиррольных колец протопорфирина. Последний придает стабильность белковой глобуле гемсодержащих ферментов.

Как простетическая группа, гемовое железо включено в состав многих белковых соединений. Это цитохромы, нитратредуктаза, нитритредуктаза, пероксидаза и каталаза, леггемоглобин, ферредоксин, нитрогеназа, супероксиддисмутаза, аконитаза, липоксигеназы и многие другие. [1]

Недостаток железа

Недостаток железа – хлороз листьев фасоли

Недостаток (дефицит) железа в растениях

Дефицит железа – проблема для многих сельскохозяйственных культур. Причина недостатка данного элемента в растениях – низкое содержание доступных форм железа в окультуренных почвах. Недостаточность железа оказывает отрицательное влияние на многие физиологические процессы в тканях растений и приводит к ослаблению роста их и развития и, как следствие, снижению урожайности. [4]

Дефицит железа широко представлен в регионах распространения карбонатных почв (30 % поверхности земли). Недостаток подвижных форм железа в данном типе почв приводит к возникновению опасного заболевания – железистого (карбонатного, известкового) хлороза. Это заболевание при развитии может привести к гибели растения.

Дефицит железа проявляется также при высоком содержании в почве марганца, цинка, меди.

На рост листьев дефицит железа влияет в меньшей степени. Деление клеток и замедление роста проявляются только при острой недостаточности железа. Наиболее значительные изменения проходят в пластидном аппарате листьев. Пластиды уменьшаются в размерах, система тилакоидов редуцирована. Синтез белка в хлоропластах и цитоплазме подавляется, причем, в первых – сильнее.

Недостаток железа сказывается на снижении содержания в листьях хлорофилла и подавлении активности фотосистем. Изменения фотосинтеза отражаются на углеводном обмене растений, в частности, наблюдается снижение содержания сахаров и крахмала в листьях. [1]

Симптоматика железистой недостаточности проявляется в растениях при различных уровнях содержания железа в тканях растения. Характер симптомов различен в зависимости от почвенных, растительных, питательных и климатических факторов. Наиболее типичный симптом – межжилковый хлороз молодых листьев. К недостатку железа очень чувствительны некоторые фруктовые деревья, овес и рис. [4]

Визуально симптомы недостатка железа проявляются следующим образом: становится заметна белесая, бледно-зеленая или желтая окраска тканей листа между жилками.

При усиливающемся дефиците железа жилки листьев бледнеют, а ткани отмирают.

Первые признаки проявляются на молодой листве, поскольку по причине слабой реутилизации железа старые листья дольше остаются зелеными.

У травянистых растений верхние молодые листья приобретают желтый цвет, формируются мелкие, слабые соцветия. У плодовых деревьев отмечается усыхание кончиков ветвей и побегов. [1]

Читайте также: