بررسی نقش آهن  به عنوان یك فلز كلیدی در فرآیند زندگی گیاهان

-1 مقدمه

آهن یكی از عناصر فلزی معمول است كه %6/4 از سنگهای آذرین و %4/4 از سنگهای رسوبی را تشكیل می‌دهد. محدوده غلظت آهن در خاكهای معمولاً از %2/0 تا %55 تغییر می‌كند (2000 تا  000/550) غلظتهای آهن می‌توانند در مناطق مختلف بسته به نوع خاك و حضور سایر منابع تغییر كنند.

خاكهای شنی كمترین و خاكهای رسی بیشترین میزان آهن را دارند. آهن می‌تواند در هر دو  حالت دو ظرف (فروس یا ) یا سه ظرفیتی (فریك یا ) تحت شرایط محیطی بخصوص وجود داشته باشد. حالت ظرفیتی آهن توسط PH و پتانسیل redox سیستم تعیین می‌شود و تركیبات آهن وجودشان وابسته به میزان دسترسی سایر تركیبات شیمیایی هم هست (همانند سولفور كه برای تشكیل شدن پیریت یا  مورد نیاز است). آهن برای رشد گیاه الزامی بوده و عموماً به عنوان یك ریزمغذی محسوب می‌گردد. آهن  به عنوان یك فلز كلیدی در نقل و انتقالات محسوب شده و برای سنتز و سایر فرآیندهای زندگی سلولها مورد احتیاج است . در نتیجه گیاهان سعی در تسریع جذب آهن دارند. آهن فروس بسیار حلال ‌تر بوده و قابلیت دسترسی گیاه به آهن از آن فریك بیشتر است. (-FEDOH)Gothite شكل غالب كانی آهن در خاكهاست. حالت دو ظرفیتی یا فروس می‌تواند به حالت سه ظرفیتی یا فریك اكسید شده كه در حالت اخیر می تواند تشكیل رسوبات هیدرواكسید یا اكسید را داده و برای گیاهان به عنوان یك ریز مغذی، غیر قبل دسترس گردد. عوامل عمومی كه بر قابلیت تحرك و تثبیت آهن تأثیر گذارند. شرایط قلیایی و اكسیداسیونی هستند كه تشكیل ر سوب اكسیدهای  آهن محلول را تسریع می‌كنند یا شرایط اسیدی و احیاء كه حلالیت تركیبات فروس را تسریع می‌كنند. قابلیت در دسترس بودن آهن فروس و فریك همچنین به میزان آب خاك محیط نیز وابسته  است. برای مثال محیطهای كاهیده كه شامل زمینهای پست و خاكهای باتلاقی) هستند قابلیت در دسترس بودن آهن فروس را برای گیاهان تسریع می‌كنند. در حالی كه محیطهای اكسیده (زمینهای مرتفع یا خاكهای بازهكشی خوب) تشكیل رسوب تركیبات اكسید فریك را تسریع می كنند كه برای گیاهان قابل جذب نیست. اگر آهن فروس زیادی وجود داشته باشد  سمیت آهن ممكن است است برای گیاهان رخ دهد. ولی وقوع این حالت تا حد زیادی به گونه گیاهی بستگی دارد همینطور اگر آهن فروس بسته به رسوب تركیبات آهن فریك در خاكها در دسترس نباشد كمبود آهن یا كلروز ممكن است رخ دهد. مدیریت خاك مناسب می‌تواند به كنترل PH و شرایط آب خاك كمك نموده و غلظتهای بهینه آهن فروس را در دسترس گیاهان قرار دهد. عموماً تعیین مقیاسی مشخص برای آهن خاكها به علت اینكه قابلیت در دسترس بوده آهن برای گیاهان و یا ایجاد مسمومیت به ویژگیهای خاك نظیر PH یا Eh و میزان رطوبت خاك بستگی دارد مشكل است.

برای تخمین این ویژگیها و پتانسیل به وجود آمدن كمبود و یا سمیت آهن برای گیاهان پیشنهاد گردیده كه Eh و PH خاك هر دو در مزرعه باز هم اندازه‌گیری شوند.

0-2 ژئوشیمی آهن

آهن در اكثر كانیهای اولیه (فاز اكسید و فرو منگنز) در حالت اكسیده فروس ، وجود دارد كه از حالت فریك  آهن یا  بسیار حلالتر است.

چندین نوع مختلف از اكسیدهای آهن كه هركدام دارای حلالیت متفاوتی هستند وجود دارند عكس 1-2 حلالیت  چندین اكسید آهن گزارش شده معمول ر ا با هم مقایسه می‌كند. كانیهای آهن آزاد كه در خاك وجود دارند به عنوان كلیدی برای شناخت خصوصیات خاك و برای افق‌های خاك مورد استفاده قرار می‌گیرند. كانیهای آهنی كه به صورت پدوژنیكی تشكیل می‌شوند در جدول 1-2 آمده‌اند.

جدول 1-2 انواع كانیهای آهن

حلالیت  معمولاً بوسیله حضور اكسیدهای محلول‌تر كنترل می‌شود، در نتیجه رسوبات تازه magnetite بی شكل یا  محلولترین اكسیدهای  بوده و عموماً فعالیت  و حلالیت  را بسته به میزان Redox   كنترل می‌كنند. تحت شرایط اكسیده ،  - soil ( كه كریستاله قابلیت حل شدن و تبدیل شدن به هیدروكسیدهای بی شكل و اكسیدهای ترسیناله به حد واسط است) حلالیت را كننترل می نماید. اگر این مقدار از 5/11 كمتر باشد magnetite نا زمانی كه (Feco3)sidrite شكل بگیرد. فاز پایدار است. سایر اكسیدهای  بر طبق كاهش حلالت عبارتند از:

1-2 تأثیر فرآیندهای هوازدگی بر آهن

واكنش آهن و فرآیند هوازدگی تا حد زیادی به سیستم  محیط و درجه اكسیداسیون تركیبات شامل آهن دارد. پتانسیل الكترونی برای جفت   برابر 77/0 است. قانون عمومی كه بر تحریك و تثبیت آهن حاكمیت دارد این است كه در شرایط اسیدی و قلیایی رسوب اكسیدهای  آهن نامحلول را تسریع می‌كند ولی شرایط احیایی و اسید حلالیت تركیبات فروس  را تسریع می‌كنند. آهن آزاد شده به آسانی به  صورت اكسیدها و هیدوراكسیدها رسوب می‌كند ولی با Mg و AL در سایر كانیها جابه جا شده و با لیگاندهای آلی تشكیل كمپلكس می‌دهد رفتار كلی آهن در منطقه هوازدگی می‌تواند در چهار عنوان زیر خلاصه گردد:

1-  در محیط اكسیده با حاكمیت  جو، آهن تشكیل goethite كه كانی پایداری است را می‌دهد. در طی یك روند طبیعی در  زیاد و  كم (محیط سوفاته اسیدی) Jarosite ممكن است شكل بگیرد و در شرایط غنی از مواد آلی آهن به صورت كلاتها در محلول جابه جا می‌شود.

2-  در محیط كاهیده كه باكتریها كربن را برای كاهیدن  به  و  به S استفاده می‌كنند زیاد بودن  پیریت را بوجود می‌آورد كم بودن  و زیاد بودن  و  ،  در محلول باقی می‌ماند.

3-  Glauconite تنها سیلیكات آهن اتوژنیك است كه در رسوبات جدید شكل می‌گیرد. اگر جه اسمكتایتهای آهن در منطقه هوا زده وجود دارند. اینگونه تغییرات حاصل فیلوسیلیكاتهای فرو منیزیم هستند.

4-  آهن اكثراً به شكل هیدوكسیدهای ذره‌ای و ریز یا بصورت پوشش به دانه‌های ریز جابه جا می‌شود تقسیم بندیها بوسیله سرعتهای ته نشین شدن گوناگون به انجام رسیده‌اند.

2-2 تأثیر شرایط خاك بر آهن

اكسید آهنی كه در خاكها حضور دارد به شرایط زیادی همانند میزان رطوبت، PH و میزان اكسیژن خاك وابسته است در خاكهای مرطوب ولی با شرایط اكسیده اكسید آهن  نوعاً باید در حالت اكسید آهن هیدراته یافت گردد.

در خاكهای مرطوب با شرایط hypoxic اكسید آهن به طور مشخص در حالت فروس یافت می‌گردد. تبدیل شدن به حالت فروس برای تشخیص مرز تیپیكال خاكهای هیدریك زمینهای پست بكار می‌رود.

حلالیت آهن معدنی در خاكهای بازهكشی خوب بوسیله عدم حلالیت و تشكیل رسوب اكسیدهای  كنترل می‌گردد. همانند حالت قبل غلظت  به PH ، افزایش غلظت از  تا  مول به ازای افزایش PH از 4 تا 8 بستگی دارد. غلظتهای  زیاد قابلیت دسترسی آهن را در خاكهای آهكی كاهش می‌دهند. به غیر از شرایط ویژه تغییر شكل یك اكسید  به حالت دیگر در خاكها به علت حلالیت كم این كانیها به آهستگی اتفاق می‌افتد. این كانیهای اكسید بخصوص، ممكن است  در خاكها برای یك تناوب زمانی طولانی بدون تغییر شكل كلی به كانیهای غیرمحلول‌تر باقی بمانند. در خاكهای مختلف و بخصوص در خاكهای با PH كم، اكسیدهای آهن می‌توانند در سطوح رسها تشكیل رسوب بدهند.

اینگونه پوششها در PH های بالاتر پایدارند، همچنین در ظاهر ژل‌ مانند بوده ممكن است در حالت مرطوب جریان پیدا كنند و در هنگام گرم شدن منقبض شده و تشكیل حفره بدهند و برای چسبیدن ذرات اولیه و تشكیل خاكدانه‌ها همانند سیمان عمل می‌كنند. اینگونه پوششهای بی شكل در هنگام پیرشدن و گذشت زمان تشكیل فرمهای كریستاله را می‌دهند.

اكسیدهای آهن كریستاله و آمورف نقش اصلی را در استحكام یافتن ساختمان خاك بازی می كنند اكسیدهای آهن به كانیهای آهن از طریق كاهش غلظت بحرانی  انعقاد، پراكندگی رس،‌ جذب آب و انقباض رس  انبساط رسها و همچنین بوسیله افزایش Microdggregdtion پایداری می‌بخشند. آنها می‌توانند پایداری خاكدانه، قابلیت نفوذپذیری، تخلخل و هدایت هیدرولیكی خاكدانه ها را افزایش دهند. همچنین این اكسیدهای بی شكل می توانند انقباض و انبساط، پراكندگی رسها، چگالی حجمی و انقطاع را كاهش دهند. تشكیل اكسیدهای آهن همچنین بوسیله مواد آلی و باكتریها تحت تأثیر قرار می‌گیرد باكتریها ممكن است تبدیل بین حالتهای مخلتف ظرفیتی آهن را اكسیده كند این باكتریها برای تأمین انرژی برای متابولیسم خود  را به  اكسیده می‌كنند مكانیسم این عمل در زیر نشان داده‌شده است.

تعدادی از باكتریهای معمول آهن شامل Ferroba cillus ، crenothrix Lephthrix و Gallionella هستند كه بصورت لعاب باكتریهایی در سیستمهای آبی مشاهده شده‌اند به علاوه بعضی گونه‌های باكتریایی همانند، Metallogenius sp. در چرخه آهن شركت كرده و به عنوان تجمع دهنده آهن در سطح سلولهای زنده‌شان شناخته شده‌اند توزیع آهن قابل عصاره‌گیری در خاكها به حضور موادآلی وابسته است. آهن با مواد آلی تشكیل كلاتهای آهن را می‌دهد. اسید هومیك خاك در PH بیشتر از 3 با قدرت زیادی آهن را جذب كرده و یا تشكیل كمپلكس می‌دهد.

سایر تشكیلات خاك كه  را جذب می‌كنند شامل اكسیدهای كریستاله، كانیهای رسی و اكسیدهای هیدراته آهن و منگنز هستند جدول تعدادی از ثوابت جذب را برای آهن در سطح كانیهای رسی، سیلیكاد و مواد آلی نشان می‌دهد. حلالیت آهن مقدمتاً به حلالیت اكسیدهای  هیدراته مربوط می‌شود. بعلاوه حلالیتهای آهن ممكن است بطور قابل توجهی تحت تأثیر سایر تركیبات آهن شامل فسفاتها، سولفیدها و كربناتها قرار گیرد. تفاوتها در مقادیر پتانسیل redox خاك ممكن است دلائل دیگری برای افزایش حلالیت آهن در خاكهای باشند عموماً در خاكهائی با زهكشی خوب و مناسب، اكسیدهای  حلالیت آهن را كنترل می كند. اگر چه فرایندهای احیاء در خاك، كنار ریشه‌های تنفس كننده و در تنفس كننده و در سایتهای میكرو جائی كه مواد آلی قویاً degrade می‌شوند و عموماً در خاكهائی غرق شده در آب رخ می دهد. تغییر در خواص خاك همانند PH ، مقادیر پتانسیل redox می‌تواند آهن را جزئی از فراكسیونهای غیر محلول كرده و قابلیت دسترسی آنرا برای گیاهان كاهش دهد. در خاكهای آلی %50 آهن در فراكسیون سولفید و مواد آلی یافت شده ولی مقادیر كمتری از این شكل آهن در افقهای خاك در كانیها مشاهده گردیده است. اكثراً آهن در اكسیدهای آهن كریستاله و بی شكل و فراكسیونهای باقیمانده قرار گرفتند بودند.

شرایط احیاء قوی در خاك فراكسیون آهن و اكسیدها را با فراكسیونهای تبادل، آلی و منیزیوم- اكسید در اتباط است متحرك نموده و آنرا برای جذب توسط گیاهان آماده می‌نماید. افزایش در میزان PH یا Eh یعنی اینكه شرایط اكسیده آهن را از شكلهای آلی و تبادلی به فراكسیونهای غیر محلول در آب و اكسید- آهن جابه جا می‌نماید. PH  و اضافه نمودن مواد آلی به خاك باعث ایجاد شرائط احیاء با تناوب خشك و مرطوب شدن می‌گردد در پاسخ به افزایش مواد آلی آهن از شكلهای كم محلول به شكلهای تبادلی و آلی تغییر می كند.

آهن در فراكسیونها می‌تواند تفاوت داشته باشد. از جمله محلهای مردانی كه ظاهراً به میزان احیاء اكسیداسیون مربوط می‌گردد. شخم زدن می‌تواند PH و سایر خصوصیات خاك را تغییر داده ودر حلالیت آهن موثر باشد. شكل گونه های نمونه‌ آهن را تحت شرایط مختلف PH و En نشان می دهد. تشكیل تركیبات بحرانی آهن همانند  همچنین به قابلیت دسترسی سایر مواد شیمیائی مثلاً در مورد اخیر به گوگرد در سیستم بستگی دارد. فازهای جامدی كه در شكل نشان داده شده‌اند  (سیدریت)،  (پیریت) و fes هستند احتمال وجود  در شرایط محیط طبیعی وجود ندارد مگر اینكه محیط به شدت اكسیده باشد.

0-3 اثرات آهن و گیاهان

آهن یكی از عناصر ریز مغذی است كه به شكل () توسط گیاهان جذب می‌گردد آهن برای شكل گرفتن كلروفیل II و شركت در آنزیمهایی كه برای سیستمهای تنفسی لازم هستند وجودش ضروری است. اكثر آهن موجود در خاكهای با تهویه مناسب بصورت یون فریك یا () است كه برخلاف یون فرو () برای گیاهان غیر قابل دسترس می‌باشد. كمبود آهن ممكن است هنگامی كه كانیهای خاك بطور مرتب آهن فروس () را جانشین اهن فروس قبلی كه به آهن فریك اكسیده گردیده نكنند ایجاد گردد. و یا كمبود آهن می‌تواند در نتیجه وجود مس و منگنز زیادی باشد. منگنز و مس عواملی هستند كه موجبات اكسید شدن فروس را به حالت فریك پدید می‌آورند. در خاكهای اسیدی كه ما انتظار درایم آهن به اندازه نیاز گیاهان وجود داشته باشد. سمیت منگنز موجبات كمبود آهن را فراهم می‌آورد.

1-3 ضرورت آهن

آهن از سال 1845 به عنوان یك عنصر ضروری برای گیاهان شناخته شده است. آهن برای رشد گیاهان لازم بوده و عموماً به عنوان یكریز مغذی آن را می‌شناسیم. همچنین آهن برای شكل گرفتن كلروفیل II و شركت در بعضی آنزیمهای كه در سیستمهای تنفسی شركت دارند ضروری است. آهن در خاكها و سنگها یك عنصر فراوان بوده ولی معمولاً به عنوان یك ریز مغذی در خاكها در كمبود است. این مشكل به طبیعت بسیار نامحلول تركیبات آهن فریك بر می‌گردد. این تركیبات در خاكهای با هوازدگی شدید تجمع پیدا كرده و عضو اصلی خاكهای سرخ مناطق تروپیك محسوب می‌شوند. بازمانده‌های فسیلی بعضی خاكهای قدیمی شامل آهن به اندازه كافی برای رفع نیاز آهن هستند. هر چند این تركیبات بسیار نامحلول بوده و نمی‌توانند نیاز گیاهان به آهن را حتی به عنوان یك ریز مغذی رفع نمایند. مكانیسم جذب آهن انتقال آهن بوسیله گیاهان مطالعات زیادر را به خود مشغول داشته است چون این مكانیسم یك فرایند كلیدی در رفع نیاز آهنی گیاهان می‌باشد. در اكثر اوقات شدت‌های متفاوت كمبود آهن در گیاهان به علت فاكتورهای خاك كه عدم حلالیت آهن را تشدید می‌كنند رخ می‌دهد. به نفش متابولیك آهن در گیاهان سبز نسبتاً پی برده شده است. و آهن را به عنوان یك عنصر فلزی كلیدی در انتقال انرژی كه برای سنتز و سایر فرآیندهای زندگی سلول مورد نیاز است به حساب می‌آورند. نقش اساسی آهن در بیوشیمی گیاهان می‌تواند بصورت زیر خلاصه گردد.

-         آهن در پروتئینهای هم  غیر هم وجود داشته همچنین عضو مهم كلروپلاستهایی می‌باشد.

-         كمپلكس ‌های آهن آلی در مكانیسم انتقال الكترون فتوسنتزی شركت می‌كنند.

-         پروتئینهای غیر هم در احیاء نیتراتها و سولفاتها نقش دارند.

-         به نظـر می‌رسد كه آهن نقش مستقیمی در متابولیسم اسیدهای نوكلئیك داشته باشد.

-         همچنین نقشهای ساختمانی و كاتالیزوری برای  و  شناخته‌ شده‌اند.

2-3 كمبود آهن

هنگامی كه كمبود آهن در گیاهان روی می‌دهد تفاوت صریح بین رگبرگهای سبز و سبز كمرنگ یا زرد بافت ما بین رگبرگها آشكار می‌گردد.

این كمبود كلروفیل در برگ گیاهان را كلروز گویند. برگهای جوان بیشتر از برگهای پیر تحت تأثیر قرار می‌گیرند. به علت اینكه آهن درگیاه نسبتاً نامتحرك می‌باشد.

عاملی كه در خاكهای با تهویه خوب باعث كلروز در گیاهان می‌گردد نامحلول بودن اكسیدهای  است در شرایطی كه پتانسیل اكسید و احیایی یا PH و یا هر دو افزایش پیدا كنند. قابلیت جذب آهن از محول خاك به گیاهان به شدت كاهش می‌یابد.

پتانسیل اكسید و احیایی بحرانی بری احیاء بین 100 میلی ولت و 300 میلی ولت در PH برابر 6 و 7، و 100 – میل ولت در PH برابر 8 است. كمبود آهن ممكن است در خاكهای غیرآهكی با بافت شنی هم رخ دهد ولی كمبودهای آهن بیشتر در خاكهای آهكی معمول هستند غلظت تعادلی آهن در فاز محلول سیستمهای آهكی خیلی كم است. در دسترس بودن آهن در خاكها برای جذب توسط گیاه تا اندازه زیادی بهPH خاك ، لیگاندهای كمپلكس شده و پتانسیل اكسید و احیاء بستگی دارد. رطوبت اضافی خاك آهن فروس را كه محلول تر و متحرك‌تر است افزایش می‌دهد. یك محیط آبگرفته (باتلاقی) منتج به كاهش در پتانسل اكسید و احیایی می‌گردد. خاكهایی بازهكشی ناقص اغلب حاوی ماتل‌های زنگ زده هستند كه در اثر جا به جا شدن آهن فروس متحرك به مكانهای كه در آنجا اكسید شده و رسوب كرده‌اند بوجود می‌آیند. حلالیت آهن فریك و آهن فروس در PH پایین خیلی بیشتر از PH بالاست تركیبات آهن شامل  و  حلالیت كمی دارند و می‌توانند در PH بالا رسوب تشكیل دهند بی علت اینكه هنگامی كه PH افزایش پیدا می‌كند یونهای OH بسیار فراوانند.

آهك دادن به خاك باعث تشكیل رسوب آهنی كه قبلاً متحرك بود و همچنین باعث بروز كلروز ناشی از آهك می‌گردد. تحقیقات نشاندهنده این مطلب است كه گیاهان به بیشتر از  مول آهن محلول برای برطرف كردن نیاز تغذیه‌ای خود نیاز دارند. كمبود آهن معمولاً با كاهش سرعت رشد همراه است اگر چه همیشه معلوم نیست كه آیا این نتایج نتیجه‌ای از كمبود است یا شرایطی كه باعث كمبود شده‌اند. كمبود آهن معمولاً در خاكهای آهكی در خاك‌هایی با شرایط زهكشی ضعیف و خاك های غنی از منگنز رخ می دهد اعمال مدیریت خاك و دیگر شرایطی كه ممكن است باعث به وجود آوردن یا بدتر كردن كمبود آهن گردند شامل: تجمع زیاد رطوبت خاك،‌‌ غلظت زیاد فلزات سنگین (به خصوص مس، منگنز، روی ) در یك خاك اسیدی، دمای بیش از حد پایین یا بالای خاك، حضور ارگانیسمهای  معین (نماتدها یا قارچها)، كمبود رطوبت خاك هستند. بازمانده گیاهان، كود، فاضلابها، گلها، پیتها، زغال چوب فرآورده‌های فرعی صنعتی تولیدات جنگلی (پلی فلائونوئیدها و لیگنوسولفاتها) حتی زغال می‌توانند در درمان كلروز ناشی از آهن موثر واقع گردند.

گونه‌های گیاهای مختلف كه با آهن اسپری شده‌اند و همچنین اعمال بعدی بر روی خاكهای دارای مشكل كمبود در فراهم كردن آهن برای گیاهان موثر بوده‌اند. تركیبات آلی آهن در كود در نگهداشتن آهن در شكل قابل دسترس تأثیر بسیار خوبی دارند.

3-3 سمیت آهن

عموماً سمیت آهن به افزایش جذب آهن و جابه جایی آن توسط اندامهای گیاه ارتباط دارد. برای مثال كشف شده كه گیاه تنباكو به وسیله سمیت آهن صدمه دیده كه در این سمیت استحكام برگ با افزایش غلظت آهن بین 450 تا 1126 پی پی ام كاهش پیدا كرد. اینگونه برگها همچنین دارای غلظت منگنز كمتر از معمول بودند. گزارش گردیده كه بیماری برنزه شدن برنج با تجمع آهن در نقاط نكروز شده روی برگها ارتباط دارد. (Freckle leaf) در نیشكر نیز به متمركز شدن تجمع آهن در برگها مربوط است.

علت بیماری Mdni leaf fraeckling در نیشكر نیز تجمع آهن، AL Mn  و میزان كم  در برگها گزارش گردیده است. ظاهراً گیاهان دچار غلظت بالای Ca و  می‌توانند میزان آهن، منگنز و آلومینیم بالای داخل گیاه را تحمل كند. این عمل احتمال دارد كه با ممانعت گیاه از تمركز در نقاط سمی مرتبط باشد. در تحقیقی دیگر گزارش شده كه  در ابتدا یك نقش سمیت زدایی داشته ولی هنگامیكه عوامل سمی حضور ندارند وجودش ضروری به نظر نمی‌رسد (در گیاه نیشكر).