Хелаты железа гуминовых/фульвокислот лучше или хуже синтетики? – Наука в гидропонике
Почему питание Fe проблематично
Растения нуждаются в значительном количестве железа, чтобы процветать. Однако железо является привередливым элементом и будет реагировать со многими веществами с образованием твердых веществ, недоступных для поглощения растениями. Это особенно распространенный процесс при высоком pH, когда железо может образовывать нерастворимые карбонаты, гидроксиды, оксиды, фосфаты и даже силикаты. По этой причине ученые-растения большую часть последних 100 лет искали способы сделать Fe более доступным для растений, в то же время предотвращая необходимость в стратегиях, направленных на снижение рН почвы, что может быть очень дорогостоящим. когда требуется внесение больших объемов почвы.
В гидропонике ситуация не намного лучше. Хотя мы можем добавить столько железа, сколько захотим, в гидропонный раствор, вышеперечисленные процессы все равно происходят, и использование простых солей железа (таких как нитрат железа или сульфат железа) может привести к дефициту железа, поскольку железо выпадает из раствора. Это может быстро произойти в корневых зонах, где растения агрессивно повышают pH растворов за счет поглощения большого количества нитратов.
Для лучшего понимания основ взаимодействия почвы с микробами, растениями и общего цикла Fe предлагаю прочитать этот обзор (6).
Синтетические хелаты в помощь
Вышеупомянутые проблемы были решены с введением синтетических хелатов железа в середине 20-го века. Хелатирующие агенты представляют собой органические фрагменты, которые могут оборачиваться вокруг ионов металлов без покрытия, связываясь с их координационными центрами. Это убивает их реактивность и гарантирует, что они не вступят в реакцию ни с одним из веществ, из-за которых они станут недоступными для растений. Растения могут напрямую поглощать хелаты, брать железо и выталкивать хелат обратно в раствор, или они могут разрушать хелат и использовать его углерод в своем метаболизме.
Однако хелаты могут очень сильно связывать Fe, что нежелательно для некоторых растений, у которых нет ферментативного механизма, необходимого для открытия этих «молекулярных клеток». Исследования с однодольными растениями (1), которые являются травами, часто обнаруживали, что эти растения плохо реагируют на добавки Fe с такими молекулами, как Fe (EDDHA), очень мощным хелатом. На самом деле настолько мощный, что даже растения не могут вывести Fe. Для этих растений более слабые хелаты часто дают лучшие результаты, даже при более высоких значениях pH.
Другая проблема заключается в том, что многие синтетические хелаты не очень хороши при высоких значениях pH. Когда pH достигает значений выше 7,5, хелаты, такие как EDTA и DTPA, могут иметь проблемы с конкуренцией с гораздо более сильно нерастворимыми солями, которые образуются при этих значениях pH. Хелатные формы всегда находятся в равновесии с нехелатными формами, и незначительное количество нехелатной формы так быстро выпадает из раствора, что вся популяция хелатов может быть истощена довольно быстро. (2)
Хелаты, которые хорошо реагируют на высокие значения pH, такие как EDDHA, часто намного дороже. В случае с EDDHA наличие большого количества изомеров молекулы EDDHA, которые являются более слабыми хелатами, также создает проблемы с контролем качества и с общей силой действия каждого конкретного источника EDDHA. EDDHA настолько хорош, насколько хорош процесс его очистки, что делает хорошие источники еще более дорогими (3, 4).
Дополнительным опасением является степень окисления Fe. Хотя хелаты Fe обычно получают с использованием двухвалентного железа ( Fe2+), эти хелаты железа быстро окисляются в растворе до трехвалентного железа ( Fe3+) аналогов, особенно когда раствор аэрируется для поддержания высокого уровня кислорода. Так как Fe3+ одновременно более тесно связан с хелатами и более реактивен в свободном состоянии, поэтому более токсичен при поглощении без восстановления – растениям может быть еще труднее добывать Fe3+ из хелатов (5, 7).
Тогда есть природные хелаты
Многие органические молекулы могут образовывать связи с координационными центрами ионов Fe. В некоторых обзорах, процитированных ранее, подробно рассматриваются различные группы органических молекул, которые выделяются как растениями, так и микроорганизмами в качестве отдыха при дефиците Fe, что может привести к улучшению транспорта Fe в растения. Некоторые из этих соединений также являются восстановителями по своей природе, так что они могут не только переносить Fe, но и восстанавливать его до двухвалентной формы, чтобы растения могли легче с ним обращаться.
Среди органических соединений, которые можно использовать для хелатирования Fe, внимание привлекли гуминовые и фульвокислоты, поскольку они могут быть получены со значительно низкими затратами и одобрены для использования в качестве органических веществ в соответствии с несколькими нормами. Подробнее об этих веществах вы можете прочитать в некоторых из моих предыдущих постов о них (8, 9). В частности, гуминовые кислоты более распространены и образованы более крупными и сложными молекулами по сравнению с фульвокислотами.
Способность этих веществ хелатировать Fe значительно слабее, чем у синтетических хелатов. pKb показывает нам силу равновесия связывания хелата со свободным ионом металла (здесь вы можете увидеть значения для многих металлов и хелатирующих агентов). Значение для ЭДТА составляет 21,5, в то время как для большинства гуминовых и фульвокислот оно находится в диапазоне 4-6 (10). Это логарифмическая шкала, поэтому разница в силе связывания огромна. Для сравнения: эта разница в силе связывания равна разнице между массой песчинки и круизного лайнера.
Сравнение синтетических хелатов и хелатов фульвовых/гуминовых кислот
Существует не так много исследований, сравнивающих синтетические хелаты и хелаты гуминовых/фульвовых кислот. Один из наиболее явных (11) сравнивает растворы сульфата Fe (который мы можем считать нехелатированным) и Fe (EDDHA) после добавления фульвокислот или гуминовых кислот при росте растений фисташек. При значениях pH, близких к тем, которые обычно используются в гидропонике (6.5), едва ли есть какая-либо разница между любой из обработок, в то время как при более высоких значениях pH мы имеем значительно лучшее поглощение Fe как при обработке EDDHA, так и при обработке нехелатным железом при добавлении либо фульвокислоты, либо гуминовая кислота.
Идея использования гуминовых кислот в качестве дополнения к традиционным удобрениям на основе хелатов для снижения высоких затрат на удобрения также была изучена на примере цитрусовых (13). Это исследование подтверждает некоторые выводы предыдущего, где добавление гуминовых кислот к растворам, уже содержащим Fe(EDDHA), сыграло более полезную роль, чем простое использование чистых гуминовых кислот или удобрение чистым Fe(EDDHA). Другое исследование цитрусовых (14) показало, что применение гуминовых кислот может на самом деле обеспечить обогащение Fe в известняковых почвах (это почвы с высокими значениями pH). Это показывает, как удобрение гуминовой кислотой может конкурировать с удобрением Fe-EDDHA.
В другом исследовании леонардитовых источников гумата железа и EDDHA в корнях сои (12) очевидно, что накопление Fe в побегах и корнях намного хуже при обработке гуминовыми кислотами. В выводах статьи подчеркивается, что высокая молекулярная масса компонентов леонардита может блокировать корни растений сои, что затрудняет перенос железа растениями. Тем не менее, это исследование показывает, что накопление этих гуминовых кислот в корневой зоне действительно способствует снижению экспрессии генов, которые создают переносчики железа и ферменты, восстанавливающие железо, указывая на то, что растение действительно испытывает меньший стресс дефицита железа. Еще одним важным моментом является то, что циклическое применение гуминовых кислот способствует поглощению накопленных гуминовых кислот, очищая корни и обеспечивая лучший транспорт Fe в корнях.
В отдельном исследовании с гуминовой кислотой + FeSO4 применения по сравнению с Fe(EDDHA) в черешне (13) было обнаружено, что гуминовая кислота, дополненная нехелатным железом, увеличивала количество Fe в тканях так же, как и применение Fe(EDDHA). Это было постоянным в течение двух отдельных лет, при этом второй год показал статистически значимое увеличение обработки гуминовой кислотой по сравнению с Fe (EDDHA).
Как это работает
Интересный момент, как я упоминал ранее, заключается в том, что гуминовые/фульвокислоты невероятно слабый хелатирующие агенты. Это означает, что они должны высвобождать свое Fe в объем раствора, что должно привести к истощению и дефициту Fe, поскольку механизмы осаждения Fe термодинамически гораздо более стабильны. Однако это не то, что мы постоянно наблюдаем в исследованиях Fe-питания, в которых пытаются использовать гуминовые/фульвокислоты с добавлением или без присутствия дополнительных синтетических хелатов.
Причина, по-видимому, связана с кинетикой выделения Fe из этих веществ. В то время как константы стабильности хелатов слабы — поэтому они будут высвобождаться и осаждаться в долгосрочной перспективе — объемность лигандов и сложных структур, окружающих металлы, затрудняет фактическое высвобождение металла из окружающих его хелатных структур. Однако тот факт, что связь является термодинамически слабой, гарантирует, что металл может быть легко транспортирован после того, как он покинет органическую хелатную структуру.
Еще один момент заключается в том, что гуминовые/фульвосодержащие вещества являются восстановителями по своей природе, а это означает, что они будут защищать Fe.2+ от окисления либо микробами, либо кислородом, растворенным в растворе. Они также иногда способны восстанавливать Fe.3+ присутствует в растворе обратно в Fe2+что может помочь с поглощением этого железа корневой системой растения.
Природа вышеперечисленных структур и их восстановительная способность в основном зависят от фактической используемой гуминовой/фульвокислоты, поэтому, как и во всех случаях, касающихся фульво/гуминовых веществ, используемый вами источник будет играть большую роль в определении конечного результата, который вы получите. .
Какие хелаты лучше?
Текущие исследования показывают, что Fe(EDDHA) и подобные хелаты, несмотря на их высокие константы стабильности, не идеальны. Хотя они могут обеспечить достаточное количество железа для двудольных растений и в подавляющем большинстве случаев восполнить дефицит железа для этих растений, эти сильные хелаты часто очень дороги, и их использование в качестве единственных источников железа может быть непрактичным во многих случаях в традиционном сельском хозяйстве и гидропонике/беспочвенном выращивании. растет.
Использование гуминовых/фульвокислот в сочетании либо с нехелатным Fe, либо с меньшей долей более сильных хелатов железа кажется лучшим выбором как с точки зрения усвоения растениями, так и с точки зрения экономических затрат. Как показали несколько исследований, упомянутых в этом посте, эффект гуминовых/фульвокислот и синтетических хелатов на самом деле может быть синергетическим, при этом оба обеспечивают различные преимущества, которые могут дополнять гидропонные растворы. Эти растворы гуминовой/фульвокислоты также могут быть гораздо более благоприятными для видов однодольных растений, у которых использование высокостабильных хелатирующих агентов Fe(EDDHA) не лечит симптомы дефицита.
Вывод здесь заключается в том, что химическая прочность хелатов — не единственное, что следует учитывать. Кинетика диссоциации хелатов, а также то, как хелаты взаимодействуют с корневой системой, например, как растение фактически может выводить Fe за пределы хелатирующей системы, очень важны для установления того, эффективно ли Fe поглощается и транспортируется клетками. растения.
Обратите внимание, что тема питания Fe чрезвычайно обширна, и хотя вышеизложенное предназначено для краткого введения в тему гуминовых/фульвокислот и их сравнения с синтетическими хелатами, это ни в коем случае не является исчерпывающим обзором литературы.
Используете ли вы фульвокислоты или гуминовые кислоты для питания Fe? Дайте нам знать, каков ваш опыт в комментариях ниже.
