Значение железа в жизнедеятельности растений (часть 1)
Наличие химических элементов в биосфере В.И. Вернадский относил к четвертой форме их нахождения на земле. Триада почва — растение — животный мир является единой системой, которая объединяет все звенья миграционной цепи химических элементов. Железо входит в VIII, побочную группу элементов периодической системы Д.И. Менделеева и относится к числу наиболее важных биоэлементов. К этой группе непосредственно примыкают такие активные в биологическом отношении элементы IV периода, как марганец, медь и цинк. Близкие по химическим свойствам элементы (например, марганец, железо, кобальт и никель) обычно содержатся в организмах в тех же соотношениях, в каких встречаются в литосфере. Так, величины соотношения марганец/железо составляют в литосфере 3*10в-2/5,1 вес %; в почвах — 8,5*10в-2/3,8 вес %; в морской воде — 4*10в-7/5*10в-6 вес %; у растений — 0,01/165 мг/кг; у животных — 0,0002/0,005 % к весу тела. При повышении содержания железа в организмах увеличивается и количество спутников этого элемента — кобальта и никеля.
По известной кривой распространенности химических элементов в живых организмах, составленной А.П. Виноградовым, железо находится в числе максимумов (период шести) для элементов четного ряда, а марганец — нечетного. Элементы, находящиеся в максимумах кривой (шестые), особо важны для живого вещества с точки зрения миграционной цепи биоэлементов. Увеличение концентрации марганца в питательной среде в определенных пределах активирует поступление железа в растения и увеличивает содержание его растворимых форм (Somers, Shive и др., 1942). Однако значительное повышение концентрации марганца подавляет поступление железа и вызывает появление признаков железного хлороза (Рубин и Чернавина, 1959).
Железо является активным участником перемещений (миграции) химических элементов в земных оболочках — геосферах. По В.И. Вернадскому, эти перемещения носят характер циклов, связанных с термодинамическими зонами земной коры. Различие температур радиоактивного распада этих зон вызывает круговые перемещения железа, меди, цинка, ванадия, марганца и других элементов, их круговороты. Теплота зон радиоактивного распада «гонит» эти элементы вверх и возвращает их при известных условиях обратно, в прежнее состояние, что создает соответствующие предпосылки для тектонических, вулканических, сейсмических и других процессов, подчиненных земным факторам.
В биосфере наряду с окислением и осаждением железа идут и прямо противоположные процессы восстановления и растворения его соединений. Циклический характер этих превращений связан с участием в них микроорганизмов — простых железобактерий (род Crenothrix) и нитчатых (род Leptothrix), различных простейших и водорослей, сульфатвосстанавливающих и серобактерий. Совокупность указанных процессов составляет круговорот железа в природе; роль микроорганизмов в этом круговороте в планетном масштабе весьма значительна. Они осуществляют основную работу по окислению закисных соединений железа и по концентрации его окислов в определенных местах земной коры. В результате окислительной деятельности железобактерий и других микроорганизмов в различных водоемах появляется осадок, состоящий из гидрата окиси железа. Эти микроорганизмы участвуют в образовании дерновых, болотных, озерных, луговых и бобовых руд, содержащих от 40 до 70°% железа.
В относительно молодых железистых отложениях преобладают гидраты окиси железа со значительным содержанием воды: лимнит (Fe2O3 * 3Н2О) и ксантосидерит (Fe3O3 * 2Н2О). Главная составная часть более старых железных руд — окись железа и ее гидраты, содержащие меньше воды: лимонит (2Fe2О3 - 3Н2О), гетит (Fe3O3 * H2O), тургит (2Fe2О3 * H2О), иногда даже почти безводный гематит (Fe2O3); в виде незначительных примесей находятся карбонаты, а также силикаты, фосфаты и сульфиды железа. По количественному содержанию в земной коре железо занимает третье место, уступая в этом отношении только алюминию и кремнию. В горных породах железо находится как в окисных, так и в закисных соединениях.
Генезис железных руд, как указывалось, связан с деятельностью железобактерий, что было доказано Н.Г. Холодным (1924), изучившим микробиологический характер рудообразования. Железобактерии окисляют гидрат закиси железа и карбонаты железа, обладая ферментом, ускоряющим превращение Fe" в Fe"'; окисляя огромное количество закиси железа, выносимой на поверхность земли подземными водами, железобактерии превращают ее в нерастворимую гидроокись этого металла, активно участвуя в круговороте железа в биосфере.
Миграция железа в земной коре по направлению от центра Земли к ее поверхности и переход этого элемента из рассеянного состояния в более концентрированное осуществляется при помощи железобактерий, которые играют огромную роль в хозяйственной деятельности человека. Наибольшее влияние на распространение и рост железобактерий оказывает концентрация растворенных в воде закисных соединений железа, особенно двуокисей закисного железа. Хотя в природных водах могут встречаться и другие соединения железа — соли органических кислот, гуматы, гидрозоли Fe2(OH)6 и т. д., однако для роста и размножения железобактерий наибольшее значение имеют бикарбонаты закиси железа. Железобактерии, кроме того, участвуют в образовании залежей многих металлических руд: алюминия, марганца, меди, ванадия и др. Содержание бикарбоната закиси железа в воде различных железистых источников Днепровской биологической станции с. Гористое и ближайших окраин Киева, по данным Н.Г. Холодного, колебалось в пределах 10—30 мг в 1 л. Однако железобактерии могут довольствоваться и более низким содержанием закиси железа, особенно в проточной воде, которая непрерывно добавляет их клеткам все новое количество дыхательного материала.
В горных породах земной коры (до глубины приблизительно 15 км) закись железа содержится в значительном количестве в гранитах, диоритах, габбро, а также в песчаниках, шифере и других осадочных породах. В кристаллических породах она входит в состав силикатов, а в осадочных — кроме силикатов всегда встречаются карбонаты железа (сидерит, железный шпат). Постоянным компонентом кристаллических и осадочных пород является и окись железа в форме свободных окислов и силикатов. Широко распространены также сульфиды железа (пирит, мирказит). Поверхностные слои земной коры (до 15 км) содержат 3,39% FeO и 2,69% Fe2O3; следовательно, закиси железа в земной коре больше, чем окиси.
