دانلود مقاله بررسی نقش آهن به عنوان یک فلز کلیدی در فرآیند زندگی گیاهان

0-1 مقدمه

آهن یکی از عناصر فلزی معمول است که %6/4 از سنگ های آذرین و %4/4 از سنگهای رسوبی را تشکیل می‌دهد. محدوده غلظت آهن در خاکهای معمولاً از %2/0 تا %55 تغییر می‌کند (2000 تا  000/550) غلظتهای آهن می‌توانند در مناطق مختلف بسته به نوع خاک و حضور سایر منابع تغییر کنند.

خاک های شنی کمترین و خاکهای رسی بیشترین میزان آهن را دارند. آهن می‌تواند در هر دو  حالت دو ظرف (فروس یا ) یا سه ظرفیتی (فریک یا ) تحت شرایط محیطی بخصوص وجود داشته باشد. حالت ظرفیتی آهن توسط PH و پتانسیل redox سیستم تعیین می‌شود و ترکیبات آهن وجودشان وابسته به میزان دسترسی سایر ترکیبات شیمیایی هم هست (همانند سولفور که برای تشکیل شدن پیریت یا  مورد نیاز است). آهن برای رشد گیاه الزامی بوده و عموماً به عنوان یک ریزمغذی محسوب می‌گردد. آهن  به عنوان یک فلز کلیدی 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 فریک بیشتر است. (-FEDOH)Gothite شکل غالب کانی آهن در خاکهاست. حالت دو ظرفیتی یا فروس می‌تواند به حالت سه ظرفیتی یا فریک اکسید شده که در حالت اخیر می تواند تشکیل رسوبات هیدرواکسید یا اکسید را داده و برای گیاهان به عنوان یک ریز مغذی، غیر قبل دسترس گردد. عوامل عمومی که بر قابلیت تحرک و تثبیت آهن تأثیر گذارند. شرایط قلیایی و اکسیداسیونی هستند که تشکیل ر سوب اکسیدهای  آهن محلول را تسریع می‌کنند یا شرایط اسیدی و احیاء که حلالیت ترکیبات فروس را تسریع می‌کنند. قابلیت در دسترس بودن آهن فروس و فریک همچنین به میزان آب خاک محیط نیز وابسته  است. برای مثال محیطهای کاهیده که شامل زمینهای پست و خاکهای باتلاقی) هستند قابلیت در دسترس بودن آهن فروس را برای گیاهان تسریع می‌کنند. در حالی که محیطهای اکسیده (زمینهای مرتفع یا خاکهای بازهکشی خوب) تشکیل رسوب ترکیبات اکسید فریک را تسریع می کنند که برای گیاهان قابل جذب نیست. اگر آهن فروس زیادی وجود داشته باشد  سمیت آهن ممکن 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 ترکیبات آهن فریک در خاکها در دسترس نباشد کمبود آهن یا کلروز ممکن است رخ دهد. مدیریت خاک مناسب می‌تواند به کنترل PH و شرایط آب خاک کمک نموده و غلظتهای بهینه آهن فروس را در دسترس گیاهان قرار دهد. عموماً تعیین مقیاسی مشخص برای آهن خاکها به علت اینکه قابلیت در دسترس بوده آهن برای گیاهان و یا ایجاد مسمومیت به ویژگیهای خاک نظیر PH یا Eh و میزان رطوبت خاک بستگی دارد مشکل است.

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

0-2 ژئوشیمی آهن

آهن در اکثر کانیهای اولیه (فاز اکسید و فرو منگنز) در حالت اکسیده فروس ، وجود دارد که از حالت فریک  آهن یا  بسیار حلالتر است.

چندین نوع مختلف از اکسیدهای آهن که هرکدام دارای حلالیت متفاوتی هستند وجود دارند عکس 1-2 حلالیت  چندین اکسید آهن گزارش شده معمول ر ا با هم مقایسه می‌کند. کانیهای آهن آزاد که در خاک وجود دارند به عنوان کلیدی برای شناخت خصوصیات خاک و برای افق‌های خاک مورد استفاده قرار می‌گیرند. کانیهای آهنی که به صورت پدوژنیکی تشکیل می‌شوند در جدول 1-2 آمده‌اند.

جدول 1-2 انواع کانیهای آهن

خصوصیات

فرمول شیمیائی

کانی

هماتیت دارای رنگ قرمز روشن بوده، در خاکهای به شدت هوازده مناطق خشک، نیمه خشک و مرطوب وجود داشته و اغلب به جای مانده‌ از مواد مادری است. فقط به میزان کمی از گئوتیت معمولتر بوده و همانند گئوتیت در محیطهای اکسیده پایدار است. اگر چه به علت اینکهمی‌تواند بهمی‌تواند بهتحت شرایط احیاء که در خاکهای ابداع اتفاق می‌افتد کاهیده شود در شرایط احیاء پایدار نیست.

Hematite

ماگمیت در خاکهای به شدت هوا زده مناطق مرطوب و اغلب همراه با هماتیت مگنتیت و یا گئوتیت یافت می‌شود.

Maghemite

مگنتیت یک اسید آهن مغناطیسه بوده که معمولاً در اندازه‌های شن یافت می‌شود و غلب به جای مانده از مواد مادری است. اکسیداسیون مگنتیت ماگمیت را حاصل می‌آورد که آن هم مغناطیسه است.

Mdgntite

فری هیدریت یک کانی معمول ولی غیر پایدار است و به راحتی در مناطق گرم به هماتیت و در مناطق معتدل مرطوب به گئوتیت تبدیل می گردد.

Ferrihydrite

معمولترین کانی آهن خاک تحت شرایط اقلیمی متفاوت از معتدل نامرطوب رنگ قهوه‌ای و زرد بسیاری از خاکهای به علت حضور همین کانی است حتی اگر مقدار آن کم باشد. تحت شریط اکسیده پایدار است اگر به چه علت احیاء و در خاکهای اشباع تحت این شرایط غیر پایدار است.

Goethite

در خاکهای بازهکشی کم مناطق معتدل و مرطوب یافت می‌شود . شرایط مساعد تشکیل این کانی PH کم، دمای کم و عدم حضور است.

Lepidocrocite

در خاک غیر معمول است به عنوان یک کانی مقاومت به هوازدگی از سنگهای آذرین مادری به جای می‌ماند.

Ilmenite

به طور گسترده‌ای در خاکهای در آب غوطه‌ور شده حاوی سولفور (خاکهای سولفاته اسید) توزیع گردیده‌اند.

Pyrite

به طور گسترده‌ای در خاکهای در آب غوطه ور شده حاوی سولفور (خاکهای سولفات اسیدی) توزیع گردیده‌اند.

Ferrous sulfide

به طور گسترده‌ای در خاکهای در آب غوطه ور شده حاوی سولفور (خاکهای سولفاته اسیدی) توزیع گردیده‌اند

Jdrosite

حلالیت  معمولاً بوسیله حضور اکسیدهای محلول‌تر کنترل می‌شود، در نتیجه رسوبات تازه magnetite بی شکل یا  محلولترین اکسیدهای  بوده و عموماً فعالیت  و حلالیت  را بسته به میزان Redox   کنترل می‌کنند. تحت شرایط اکسیده ،  - soil ( که کریستاله قابلیت حل شدن و تبدیل شدن به هیدروکسیدهای بی شکل و اکسیدهای ترسیناله به حد واسط است) حلالیت را کننترل می نماید. اگر این مقدار از 5/11 کمتر باشد magnetite نا زمانی که (Feco3)sidrite شکل بگیرد. فاز پایدار است. سایر اکسیدهای  بر طبق کاهش حلالت عبارتند از:

1-2 تأثیر فرآیندهای هوازدگی بر آهن

واکنش آهن و فرآیند هوازدگی تا حد زیادی به سیستم  محیط و درجه اکسیداسیون ترکیبات شامل آهن دارد. پتانسیل الکترونی برای جفت   برابر 77/0 است. قانون عمومی که بر تحریک و تثبیت آهن حاکمیت دارد این است که در شرایط اسیدی و قلیایی رسوب اکسیدهای  آهن نامحلول را تسریع می‌کند ولی شرایط احیایی و اسید حلالیت ترکیبات فروس  را تسریع می‌کنند. آهن آزاد شده به آسانی به  صورت اکسیدها و هیدوراکسیدها رسوب می‌کند ولی با Mg و AL در سایر کانیها جابه جا شده و با لیگاندهای آلی تشکیل کمپلکس می‌دهد رفتار کلی آهن در منطقه هوازدگی می‌تواند در چهار عنوان زیر خلاصه گردد:

در محیط اکسیده با حاکمیت  جو، آهن تشکیل goethite که کانی پایداری است را می‌دهد. در طی یک روند طبیعی در  زیاد و  کم (محیط سوفاته اسیدی) Jarosite ممکن است شکل بگیرد و در شرایط غنی از مواد آلی آهن به صورت کلاتها در محلول جابه جا می‌شود.

در محیط کاهیده که باکتریها کربن را برای کاهیدن  به  و  به S استفاده می‌کنند زیاد بودن  پیریت را بوجود می‌آورد کم بودن  و زیاد بودن  و  ،  در محلول باقی می‌ماند.

Glauconite تنها سیلیکات آهن اتوژنیک است که در رسوبات جدید شکل می‌گیرد. اگر جه اسمکتایتهای آهن در منطقه هوا زده وجود دارند. اینگونه تغییرات حاصل فیلوسیلیکاتهای فرو منیزیم هستند.

آهن اکثراً به شکل هیدوکسیدهای 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 خاک بر آهن

اکسید آهنی که در خاکها حضور دارد به شرایط زیادی همانند میزان رطوبت، PH و میزان اکسیژن خاک وابسته است در خاکهای مرطوب ولی با شرایط اکسیده اکسید آهن  نوعاً باید در حالت اکسید آهن هیدراته یافت گردد.

در خاکهای مرطوب با شرایط hypoxic اکسید آهن به طور مشخص در حالت فروس یافت می‌گردد. تبدیل شدن به حالت فروس برای تشخیص مرز تیپیکال خاکهای هیدریک زمینهای پست بکار می‌رود.

حلالیت آهن معدنی در خاکهای بازهکشی خوب بوسیله عدم حلالیت و تشکیل رسوب اکسیدهای  کنترل 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 خاکهای آهکی کاهش می‌دهند. به غیر از شرایط ویژه تغییر شکل یک اکسید  به حالت دیگر در خاکها به علت حلالیت کم این کانیها به آهستگی اتفاق می‌افتد. این کانیهای اکسید بخصوص، ممکن است  در خاکها برای یک تناوب زمانی طولانی بدون تغییر شکل کلی به کانیهای غیرمحلول‌تر باقی بمانند. در خاکهای مختلف و بخصوص در خاکهای با PH کم، اکسیدهای آهن می‌توانند در سطوح رسها تشکیل رسوب بدهند.

اینگونه پوششها در PH های بالاتر پایدارند، همچنین در ظاهر ژل‌ مانند بوده ممکن است در حالت مرطوب جریان پیدا کنند و در هنگام گرم شدن منقبض شده و تشکیل حفره بدهند و برای چسبیدن ذرات اولیه و تشکیل خاکدانه‌ها همانند سیمان عمل می‌کنند. اینگونه پوششهای بی شکل در هنگام پیرشدن و گذشت زمان تشکیل فرمهای کریستاله را می‌دهند.

اکسید های آهن کریستاله و آمورف نقش اصلی را در استحکام یافتن ساختمان خاک بازی می کنند اکسیدهای آهن به کانیهای آهن از طریق کاهش غلظت بحرانی  انعقاد، پراکندگی رس،‌ جذب آب و انقباض رس  انبساط رسها و همچنین بوسیله افزایش Microdggregdtion پایداری می‌بخشند. آنها می‌توانند پایداری خاکدانه، قابلیت نفوذپذیری، تخلخل و هدایت هیدرولیکی خاکدانه ها را افزایش دهند. همچنین این اکسیدهای بی شکل می توانند انقباض و انبساط، پراکندگی رسها، چگالی حجمی و انقطاع را کاهش دهند. تشکیل اکسیدهای آهن همچنین بوسیله مواد آلی و باکتریها تحت تأثیر قرار می‌گیرد باکتریها ممکن است تبدیل بین حالتهای مخلتف ظرفیتی آهن را اکسیده کند این باکتریها برای تأمین انرژی برای متابولیسم خود  را به  اکسیده می‌کنند مکانیسم این عمل در زیر نشان داده‌شده است.

تعدادی از باکتریهای معمول آهن شامل Ferroba cillus ، crenothrix Lephthrix و Gallionella هستند که بصورت لعاب باکتریهایی در سیستمهای آبی مشاهده شده‌اند به علاوه بعضی گونه‌های باکتریایی همانند، Metallogenius sp. در چرخه آهن شرکت کرده و به عنوان تجمع دهنده آهن در سطح سلولهای زنده‌شان شناخته شده‌اند توزیع آهن قابل عصاره‌گیری در خاکها به حضور موادآلی وابسته است. آهن با مواد آلی تشکیل کلات های آهن را می‌دهد. اسید هومیک خاک در PH بیشتر از 3 با قدرت زیادی آهن را جذب کرده و یا تشکیل کمپلکس می‌دهد.