Микроэлемент Железо. Функции. Признаки дефицита и избытка

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: Fe3+ и Fe2+. 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.

Естественно, на реакцию также влияют окислительно-восстановительные условия в почве. По этим причинам хорошо аэрированный кислотный грунт будет иметь более высокое содержание растворимых трехвалентных железа, чем щелочная почва. В восстановительных условиях предпочтение отдается железу Fe2+. Это важный источник растворимого железа в анаэробных условиях, таких как затопленные рисовые поля. Однако гораздо большая растворимость двухвалентного железа может вызвать проблемы токсичности железа в некоторых ситуациях. Например, «бронзирование» в рисе (рис.).

 

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 (Fe2+). Однако, поскольку большинство сельскохозяйственных почв содержат железо в форме железа (Fe3+), растения должны каким-то образом сначала растворить Fe3+, 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 Fe3+, снижая pH, и способствуют хелированию ионов Fe3+ фенольными экссудатами. На поверхности корня хелат железа Fe3+ восстанавливается до хелата железа Fe2+, который легко высвобождает Fe2+ для поглощения корневыми волосками. Как только он перешел в корень, Fe2+ окисляется до Fe3+ 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".

 

 

Источники

  1. Practical Hydroponics & Greenhouses . September . 2016