Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Железо в почвах

2. Закономерности распределения железа в почве

3. Влияние железа на растения

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Из примерно 90 химических элементов, которые встречаются в природе, немногим более половины относят к металлам и металлоидам. Считается, что возможность образования и поддержания ионной формы в природных и физиологических условиях, является важным условием (для примерно двух десятков тяжелых металлов) быть доступными для живых систем. По этой же причине они способны выполнять те или иные функции в обеспечении жизненных явлений.

Несмотря на то, что группа таких металлов достаточно большая, роль отдельных металлов может существенно различаться. Так, если свойства ионов магния, марганца, меди, железа обеспечивают широко известные процессы и реакции, то для других металлов есть своя специфика и не столь очевидная значимость для обеспечения явлений жизни. Это, например, касается таких элементов как молибден, никель, цинк и др. Также хорошо известно токсическое действие перечисленных металлов при их избыточном содержании в среде или поглощении растениями.

В группе тяжелых металлов важное место отведено железу. Как и многие металлы этой группы, оно является незаменимым микроэлементом для обеспечения большого числа физиологических и биохимических процессов и реакций, протекающих во всех живых организмах. Среди них можно отметить такие ключевые процессы как синтез ДНК, дыхание и фотосинтез. При этом конкретная роль металла часто реализуется через его включение в функционально активные группы ферментов.

Трудная растворимость солей железа и сложность перехода в растворимое состояние усложняют поглощение ионов этого металла корнями растений, что объясняет внешние проявления в виде хлороза листьев, связанные с дефицитом железа для обеспечения реакций и процессов. В связи с этим дефицит железа, вызванный разными причинами, представляет собой серьезную мировую сельскохозяйственную проблему. Особенно это важно с учетом свойств разных типов почвы. Так, требования большинства сельскохозяйственных культур к нейтральности или даже слабой щелочности почв для обеспечения максимальной продуктивности сталкиваются с проблемой доступности ионов железа в этих условиях, даже несмотря на фактический избыток металла в данной почве.

Целью данной работы является анализ зависимости содержания железа в почвах.

1. Железо в почвах

Среднее содержание железа в почвах составляет 3,8%. В составе почв в зависимости от кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий железо может присутствовать в степени окисления +3 и +2. Принципиально возможно определение количества Fe(III) и количества Fe(II) в почвах, но, как правило, при проведении валового анализа определяют общее содержание железа в почвах. А.А. Роде (1971) считал существенным недостатком исследований элементного состава почв отсутствие сведений о содержании Fe(III) и Fe(II) в почвах. Введение в практику валового анализа почв определения Fe(II) позволило бы выявить и количественно оценить особенности гидроморфного почвообразования. Химический анализ почв: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению и специальности «Почвоведение»: рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации/Воробьева Людмила Андреевна. - Москва: Издательство Московского университета, 1998. - 271 с.

Этот элемент присутствует в почве в составе как первичных, так и вторичных минералов, являясь компонентом магнетика, гематита, титаномагнетита, глауконита, роговых обманок, пироксенов, биотитов, хлоритов, глинистых минералов, минералов группы оксида железа. Много в почвах содержится и аморфных соединений железа, особенно разнообразных гидроксилов (гетит, гидрогетит и др.). Общее содержание в почве Fe₂O₃ колеблется в очень широких пределах (в %): от 0,5 - 1,0 в кварцево-песчаных почвах и 3 - 5 в почвах на лессах, до 8 - 10 в почвах на элювии плотных ферромагнезиальных пород и до 20 - 50 в ферраллитных почвах и латеритах тропиков. В почвах также часто наблюдаются железистые конкреции и прослои.

Согласно С. В. Зонну, соединения железа в почвах представлены следующими формами, соотношение которых показано в таблице 1: 1)силикатное железо, входящее в состав кристаллических решеток: а) первичных минералов; б) вторичных (глинистых) минералов; 2) несиликатное (свободное) железо: а) окристаллизованное (слабо или сильно) оксидов и гидроксидов; б) аморфных соединений (железистых и гумус-железистых); в) подвижных соединений (обменных и водно-растворимых).

Рис 1 Соотношение групп соединений железа в различных почвах, % от валового Князев Д. А., С. Н. Смарыгин. Неорганическая химия. М.: Юрайт, 2012

2. Закономерности распределения железа в почве

В составе почв в зависимости от кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий железо может присутствовать в степени окисления +3 и +2. Принципиально возможно определение количества Fe(III) и количества Fe(II) в почвах, но, как правило, при проведении валового анализа определяют общее содержание железа в почвах.

Благодаря своим способностям менять валентность и образовывать многообразные соединения различной окисленности, весьма различной растворимости, гидратированности, окристаллизованности и геохимической подвижности, а также общей склонности к хелатообразованию с органическими кислотами различные соединения железа играют весьма сложную роль в почвенных процессах, в формировании почвенного профиля, ожелезненных горизонтов, конкреций, кирас, латеритов. Эти процессы называютсяферолиз.

На основе этих данных картина мобилизации, миграции и аккумуляции соединений железа представлена в следующем виде. Горные страны суши и многие горно-холмистые плоскогорья, и равнинные плато чаще сложены изверженными магматическими и метаморфическими породами, лавами, покровами пеплов. В таких условиях, выветривание и почвообразование сопровождаются выносом солей, щелочной реакцией, окислением соединений железа, выпадением их большей части в осадок в форме окислов и гидроокислов. Почвоведение: учебник для университетов. В 2 ч./ Под ред. В. А. Ковды, Б. Г. Розанова. Ч. 1. Почва и почвообразование / Богатырев Л. Г., Васильевская В. Д., Владыченский А. С. и др. - Москва: Издательство Высшая школа, 1988. - 368 с.

Во влажных субтропиках и тропикахдебазация и десиликация горных пород и почв приводят к образованию кислых остаточных фераллитных и аллитныхкор выветривания и почв (красноземы, бокситы), которые обогащены остаточными формами окисленных соединений железа, марганца, титана, алюминия. В холодных лесных областях их аналогами являются кислые бурые почвы. Эрозия и переотложение смытого ферсиаллитного, фераллитного и аллитногомелкоземного материала приводят к образованию склонового делювия, пролювия, аллювия речных террас, также обогащенных окислами и гидроокислами железа, марганца, алюминия и закрытых покровом фераллитных и аллитных почв (бурых лесных, красноземов, бокситов) с возможными признаками литологической слоистости.

Но этот сравнительно простой процесс осложнен крайней неустойчивостью окислов железа, марганца, алюминия, обусловленной растущей кислотностью среды, присутствием в почвах органических веществ, повышенной влажностью, анаэробностью и деятельностью микрооргагнизмов. Общеизвестно, что в этих условиях, особенно в теплый сезон, периодически или постоянно возникают резко восстановительные условия среды; при этом железо переходит в двухвалентные формы, возникают активные геохимические миграции в виде хелатных соединений, бикарбонатов и, возможно, даже эфемерных сульфидов и сульфатов.

С водными потоками делювиальных, внутрипочвенных грунтовых вод геохимически активные соединения железа, марганца, алюминия мигрируют в нисходящем и горизонтально-боковом направлении по склонам, в низменности, поймы, дельты и устья рек, в озера, моря, океан. Смены теплового и окислительно-восстановительного режимов доступ кислорода, транспирация и испарение влаги, минерализация органики, деятельность железобактерий неизбежно ведут к осаждению значительной части подвижных соединений железа, марганца, алюминия в транзитных и особенно в аккумулятивных ландшафтах.

Этим путем образуются ожелезненные иллювиальные горизонты почв, ортзанды, горизонты конкреций полуторных окислов, ортштейны, железисто-гумусовые прослои и хардпены, железистые погребенные древние горизонты в толще склоновых почв, латеритные горизонты в низменностях, пойменных и надпойменных отложениях. Этим же путем образуются болотные луговые железистые руды в депрессиях, низменностях, торфяниках. Существенная часть геохимических мигрантов уносится подземными водами в Мировой океан. Химический анализ почв: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению и специальности «Почвоведение»: рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации/Воробьева Людмила Андреевна. - Москва: Издательство Московского университета, 1998. - 271 с.

Выветривание, переувлажнение и кислотно-анаэробное почвообразование на суше постоянно дополнительно генерируют новые массы подвижных соединений железа, марганца, алюминия и их геохимических спутников. Для железа величина ежегодной мобилизации оценивается разными авторами в 800--820 кг/га в год, что дает в сумме годовой транспорт железа порядка 730 млн. т.

Такого же порядка и количество железа в его вторичных соединениях, выпадающих в толщах почв и наносов долин, депрессий, низменностей. Здесь формируются глобальные области активной абсолютной аккумуляции соединений железа и марганца, алюминия (окислов, гидроокислов, железистых силикатов, глинных железистых минералов, сульфидов, железистых и алюминиевых квасцов).

Таким образом, общая биогеохимическая направленность истории и миграции железа и марганца на поверхности земной коры включает: генерирование подвижных соединений, их транспорт и накопление в транзитных и аккумулятивных ландшафтах.

Немецкий ученый Шпренгель (1750-1816), изучая дерновые и болотные железные руды, связывал их образование с притоком, испарением и аэрацией вод, содержащих в растворе гумус, угольную кислоту и соединения железа. Аккумуляция железа объяснялась процессами его окисления и минерализации органических дубильных веществ. С. Н. Виноградский доказал, что осаждение окислов железа из растворов является бактериальным процессом. Финский почвовед Б. Аарнио, по-видимому, был одним из первых исследователей, экспериментально изучившим роль кислого гумуса в образовании болотных железных руд и скоплений полуторных окислов. Почвоведение: учебник для университетов. В 2 ч./ Под ред. В. А. Ковды, Б. Г. Розанова. Ч. 1. Почва и почвообразование / Богатырев Л. Г., Васильевская В. Д., Владыченский А. С. и др. - Москва: Издательство Высшая школа, 1988. - 368 с.

Однако идеи горизонтальной миграции соединений железа и его спутников не были еще сформулированы. Считалось, что соединения железа, марганца, алюминия мигрируют лишь вертикально в нисходящем направлении в глеевых, подзолистых и желтоземных почвах, в солонцах, солодях с образованием светлых, белесых, пепельно-серых элювиальных горизонтов А2 и бурых, коричневых темных иллювиальных горизонтов, обогащенных полуторными окислами. По С.П. Яркову, вынос полуторных окислов из осветленных горизонтов преимущественно связан с временным или постоянным созданием анаэробной обстановки, с образованием двухвалентного железа и марганца, которые иллювиируются вниз и образуют горизонт В. Конечно, процессы вертикальной нисходящей миграции соединений железа и его спутников существуют, но значительно шире представлены в природе процессы боковой горизонтальной миграции органо-железистых соединений.

В результате исследований И. В. Тюрина (1949), В. В. Пономаревой (1949), Л. Н. Александровой (1954), И. С. Кауричева (1965) выяснилось, что решающая роль в мобилизации и миграции соединений железа и алюминия принадлежит фульвокислотам. Железо образует с фульвокислотами подвижные, активно мигрирующие в пространстве комплексные соединения. Фульвокислоты на 1 г углерода могут связывать несколько сот миллиграммов железа в виде хелатных соединений, мигрирующих на значительные расстояния.

Восстановительные процессы в почвах и образование в них двухвалентных подвижных органо-минеральных соединений железа протекают тем интенсивнее в анаэробных условиях, чем больше содержат эти почвы гумуса. Химический анализ почв: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению и специальности «Почвоведение»: рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации/Воробьева Людмила Андреевна. - Москва: Издательство Московского университета, 1998. - 271 с.

3. Влияние железа на растения

железо почва соединение растение

По оценкам исследователей содержание железа в почвах составляет примерно 4,65%. Эта цифра является четвертой по величине и уступает только показателям кислорода, кремния и алюминия, что дает основание считать железо макроэлементом. Однако в живых системах его содержание существенно меньше, но независимо от вида организма оно может играть в нем, главным образом, роль микроэлемента.

В силу своих химических свойств железо легко меняет степень окисления и характеризуется высокой способностью к образованию химических соединений с кислородом, серой, а также комплексных соединений различной структуры. При этом даже в случаях достаточного присутствия железа в почвах его биологическая активность низка, потому что оно образует смесь различных соединений, плохо растворимых при нейтральных уровнях pH. Иванищев В.В. Новые аспекты в изучении адаптации растений к воздействию металлов // Тульский экол. бюллетень. Тула: Гриф и К, 2007. С. 274-277.

Увеличение окислительно-восстановительного потенциала и рН почв (в том числе при ее известковании) также приводит к переходу железа в малорастворимые формы. Напротив, в кислых почвах в присутствии восстановителей соединения железа растворяются, и ионы металла становятся доступными для поглощения корнями растений.

Показано, что железо присутствует в почвах, в основном, в виде гидроксидов и оксидов. При этом в сoдeржaщиx сeрy зaтoпляeмыx пoчвax вoсcтaнoвитeльныx yслoвияx может oбрaзовыватьcя пиpит FeS₂. Неорганические соединения железа часто представлены аквакомплексами вида [Fe(H₂O)₅(OH)]²⁺, [Fe(H₂O)₄(OH)₂]⁺, доля которых весьма мала. Однако наличие в почве органических веществ (гумуса) приводит к образованию с ними различных хелатов железа, преимущественно трехвалентного. Именно такие формы железа оказываются значимыми для их поглощения корневыми системами растений, поскольку трехвалентное железо не может ими усваиваться.

В переувлажненных почвах концентрация растворимого железа может возрастать на несколько порядков из-за их низкого окислительно-восстановительного потенциала. При таких условиях железо может поступать в растение из почвы в избыточном количестве с негативными последствиями для него.

Также следует отметить важную роль микроорганизмов для преобразования окисленной формы железа в восстановленную и наоборот. Это влияет на растворимость его соединений и доступность ионов металла для усвоения растениями. Rout G., Sahoo S. Role of iron in plant growth and metabolism // Reviews in Agricultural Science. 2015. V. 3. P. 1-24. doi: 10.7831/ras.3.1.

Антропогенное влияние, проявляющееся в подкислении почв (в том числе в ходе использования некоторых удобрений в сельскохозяйственном производстве) увеличивает подвижность железа. Однако важной является и степень окисленности ионов металла, которые в виде Fe³⁺ мoгут быть токсичными для растений, поскольку они используют свободное железо в форме Fe²⁺.

В результате существует дилемма, которая состоит в наличии в почве преимущественно трехвалентного железа, с одной стороны, и возможностью поглощения растениями только двухвалентных ионов - с другой. Такая ситуация привела к тому, что в ходе эволюции у растений сформировались весьма сложные механизмы, благодаря которым они могут поглощать лишь небольшие количества растворимого железа.

Показано, что растения высвобождают через корневую систему в окружающую среду протоны, а также выделяют органические кислоты, фенолы, в результате чего трехвалентное железо переходит в растворимое состояние, в т.ч. в виде хелатов с этими органическими веществами. Благодаря наличию мембраносвязанной Fe⁺³-оксидоредуктазы (или хелат-редуктазы) происходит восстановление железа до двухвалентного, ионы которого поглощаются корнем с помощью специальных переносчиков. Hemalatha K., Venkatesan S. Impact of iron toxicity on certain enzymes and biochemical parameters of tea // Asian J. Biochem. 2011. V. 6. P. 384-394.

Железо считается микроэлементом, потому что для нормального роста и развития растений требуются лишь небольшие его количества. Оно играет важную роль в двух главных энергетических процессах - дыхании и фотосинтезе, что важно для формирования всех органов растения. Иногда растения могут потреблять слишком много железа, что зависит от условий выращивания и/или способности растений выделять кислоты из корней.

Это снижает рН почвы, в результате чего такие растения могут поглощать слишком много железа, что приводит к развитию токсичности.

Избыток ионов железа хорошо обнаруживается через многочисленные внешние проявления. Среди них можно отметить замедление роста; уменьшение размера листьев; усиление зеленого цвета листьев (особенно у самых молодых листьев); покраснение стеблей и более старых листьев, увядание побегов, пожелтение и отмирание старых листьев (особенно на кончиках и около жилок), коричневые или черные крапинки или большие некротические пятна на листьях; почернение кончиков листьев и стебля у основания; повышение жесткости стебля; отставание корня в росте (особенно придаточных корней); отсутствие ветвления корня; корневая вялость; почернение корня (особенно на концах), и образование пленок на корнях.

Среди оригинальных исследований можно отметить работу, в которой показано значительное покраснение листьев чайного кустарника на поздних стадиях онтогенеза. При выращивании двух сортов бархатцев на искусственном субстрате наблюдали появление бронзовых пятен на листьях при концентрации железосодержащего вещества (Fe-DTPA) в концентрации выше 0,018 мМ. Далее образовывались пятнистые узоры, характерные для проявлений хлороза и некроза, приводившие к скручиванию листьев и их купированию. Дальнейшее повышение концентрации этого вещества приводило к усилению наблюдаемых эффектов, причем содержание железа в отмирающих участках листьев было выше, чем в зеленых. Ранее в на таких же растениях было показано, что кроме хлороза и появления бронзовых пятен на листьях избыток металла вызывал остановку роста и задержку цветения. При этом симптомы избытка железа прежде проявлялись на старых и зрелых листьях и позднее - на молодых. Rice plants take up iron as an Fe3+-phytosiderophore and as Fe / Ishimaru Y., Suzuki M., Tsukamoto T. et al. // Plant J. 2006. V. 45. P. 335-346.

Аналогичные проявления также были обнаружены у других растений, в том числе таких сельскохозяйственно значимых культур как капуста, томаты, сахарный тростник, табак. Кроме того, одним из ярких проявлений токсического эффекта является ингибирование развития корня, которое наблюдали при концентрациях железа 200 мг/л питательной среды.

Заключение

Железо является важным химическим элементом, которое играет одну из фундаментальных ролей в ключевых для энергетики и жизнеобеспечения процессах. Благодаря своей способности получать и терять электроны железо выполняет функцию кофактора для ферментов, участвующих в весьма значимых и самых разнообразных окислительно-восстановительных реакциях, которые протекают при фотосинтезе, дыхании, синтезе гормонов, ДНК и т.д. Эта функция делает железо незаменимым веществом, а его нехватка в организме вызывает хлороз, что серьезно сдерживает нормальное развитие растений. При этом природные формы железа часто остаются недоступными для их поглощения корневыми системами.

О токсичности железа у растений также свидетельствуют внешние проявления и, в первую очередь, - пятнистость (бронзовение) листьев, что можно наблюдать в эксперименте при выращивании объектов исследования в растворах железа с концентрацией более 100 мкМ. В то же время в растениях синтезируется белок ферритин (фитоферритин), который способен связывать до 4500 атомов железа и таким образом переводить его в нетоксичную форму, что обеспечивает устойчивость ряда видов и сортов при поглощении некоторого избыточного количества ионов этого металла.

Поступление больших количеств железа в растения вызывает разрушение белков и, в первую очередь через развитие окислительного стресса путем образования активных форм кислорода. Именно это приводит к появлению эффекта хлороза. Интересно, что подобный хлороз проявляется и при недостатке железа в почве. Поскольку обеспечение растений железом является весьма сложной проблемой в силу многих причин, постольку актуальны работы по генетическому улучшению имеющихся сортов для решения проблемы хлороза и поддержания необходимых высоких скоростей роста и развития ряда сельскохозяйственных культур.

Накопленные сведения позволяют прояснить ситуацию о том, какие гены являются важными для решения проблемы обеспечения растений железом. При этом новые регуляторные компоненты включают определенные факторы транскрипции (OsIRO2), а также иные элементы, реагирующие на дефицит железа.

Размещено на Allbest.ru