Yaşamım ve hobilerim

Topraktaki Demir Mineralleri

Bu yazı tarafından 26 Oca 2012 tarihinde Akvaryum, Flora, Kaktüs, Orkide, Tatlı Su bölümünde yayınlandı. 0 yorum aldı ve 956 defa okundu.

Ölmekte olan bir yıldızın merkezindeki olağanüstü sıcaklıklarda, en temel element olan hidrojenin helyuma dönüşmesiyle başlayan bir sentez sürer. Bu sentez sırasında ısı gitgide artar ve ısı arttıkça daha ağır elementler oluşmaya devam eder. Sonunda, bir dizi nükleer tepkime sonucunda, gittikçe ağır çekirdeklerin kaynaşması sonucu yıldızın merkezi demire dönüşür. Demir elementlerin en kısırıdır. Ne başka atom çekirdekleriyle kaynaşarak ne de daha hafif çekirdeklere bölünerek enerji üretebilir. Bir yıldızın merkezi demire dönüştüğünde, yıldızın kendi kütle çekimini dengeleyecek sıcaklık ve basınç kaynağı kalmadığından, yıldız çökmek zorundadır. Demir elementi bir yıldız için ölümün habercisiyken, bitkilerin yaptığı fotosentez sürecinde çok önemli görevleri olduğundan, dünyamız gibi gezegenler için yaşamın habercisi konumundadır.

[nrelate-related]

Demir Mineralleri

Demir, nükleer fizyon sonucu oluşan en kararlı element olduğu için, evrende ve tabii ki yerkürede bol bulunur. Yerkürenin tümü düşünüldüğünde en çok; sadece yerküre kabuğu düşünüldüğünde ise dördüncü bol elementtir. Yerküre kabuğunun ortalama % 5,09 unun demir ve ortalama Fe+3/Fe+2 oranının 0,53 olduğu düşünülür.

Demir oranı çeşitli kaya türleri arasında da değişiklik gösterir. Bazaltik ve aşırı mafik kayalarda bu oran, kütlenin %9 una kadar çıkarken, bazı granit türlerinde % 1,4 e kadar düşebilmektedir. Çok düşük pH değerlerinde çok yüksek Fe bulunabilir. Çünkü pH düştükçe Fe+3 ün çözünürlüğü artar.

Tablo 1: Dünya yüzeyindeki belirli birimlerin demir içeriği
Yer Toplam Kütle
(ton) Fe
konsantrasyonu Fe içeriği
(ton)

Dünya Kabuğu 2.85*1019 %5.1 1.5*1018
Topraklar 2.0*1014 %3.2 6.4*1012
Sular 1.0*1010
Okyanuslar 1.32*1018 3.4 ppb 4.5*109
Nehirler 1.2*1012 670 ppb 8.0*105
Toprak Suyu 6.7*1013 5 ppm 3.3*108
Yeraltı suyu 8.35*1015 680 ppb 5.7*109

Yerküre kabuğunda Fe içeren esas mineraller, mafik silikatlar, Fe sülfitler, karbonatlar ve bazı kil mineralleridir. Bunlardan ilk üçünde yüksek Fe+2/Fe+3 oranına rastlanır. Fe+2 içeren bazı silikatların çevrenin etkisiyle daha fazla yıprandığı bilinmektedir. Çünkü Fe+2, O2 nin varlığında, sonucunda su çıkan bir tepkimeye girer. Ayrıca, yıpranmaya, kimyasal etkilerin, tabakalı yapının ve yer değiştirmenin de etkisi olur.

Yıpranma sırasında alkali metaller, alkali toprak metaller ve silisyum büyük ölçüde kaybolur ve demir (Fe) ile alüminyumu (Al) baskın katyon olarak bırakır. Mg ve Si un çözünmesi önemli bir hacim kaybına yol açar ve delikli yapı oluşur. Yıpranma koşulları altında çeşitli killer birbirine dönüşebilir.

Demir oksitler, topraktaki metal oksitler arasında en çok bulunanıdır. Her türlü iklim koşulunda değişik yoğunluklarda bulunurlar. Bir kere oluştuktan sonra toprak koşullarındaki değişikliklere bağlı olarak, mineral yapıları, içerikleri ve dağılımları sürekli değişebilir. Mikroskobik ölçekteki demir oksit parçacıklarının kimyasal yapısı ve geniş yüzey alanı, bu parçacıkları etkili birer emici madde yapar. Bu sayede, silikat, fosfat, molibdat gibi inorganik anyonları, sitrat, fulvik ve humik asit gibi organik anyonları, ve bitki gelişiminde gerekli olan Al, Cu, Pb, V, Zn, Co, Cr ve Ni gibi katyonları yapılarına alabilirler.

Bütün Fe+3 oksitleri kırmızı, sarı ve kahverengi arasında değişen çarpıcı renklere sahiptir. Bu renk değişikliği elektron kabuğundaki seçici geçirgenlik yüzünden olur. Düşük yoğunlukta olsalar bile, demiroksitlerin güçlü pigment özellikleri vardır ve pek çok toprağın rengini belirler. Hatta demir oksitler en önemli inorganik boya maddeleri arasındadır. Demir oksit mineralleri renk açısından, örnekten örneğe farklılıklar gösterse de, genelde o örneğin tanımlanabilmesi için yeterli bilgi verirler. Bunun için bazı temel bilgileri bilmek gerekir. Örneğin, hematit/geotit oranı düşük olsa bile hematitin verdiği kırmızı renk, goetitin verdiği sarı rengi bastırabilir. Kilin kristalli yapısı azalırsa renkte koyulaşma olur. Ayrıca kristal yapıların büyüklükleri de rengi önemli ölçüde değiştirebilir. Kilin yapısındaki diğer elementlerinde renge önemli katkısı olur. Alüminyum (Al) rengi açarken; mangan (Mn) rengi önemli ölçüde koyulaştırır.

Demir oksitlerin oluşumu çok sayıda kimyasal reaksiyon sonucu olur. Fe+3 oksitlerin oluşmasındaki ilk reaksiyon, Fe+2 içeren birincil minerallerin oksitlenmesidir.

Fe2SiO4 + ½O2 + 3H2O −−−−─ 2FeOOH + H4SiO4
Fayalit Goetit

Toprak koşullarında bu reaksiyon tek yönlüdür. Fe+2 silikatlarının Fe+3 oksitlenmeleri, yıpranma derecelerine bağlıdır. Sıcaklık, su aktivitesi, pH gibi koşullar yukarıdaki denklemde ve sonrasında etkili olur. Daha önce belirtildiği gibi bir demir oksit bir kere oluştuktan sonra başka bir forma dönüşebilir. Bu durum çevre şartlarının değiştiği yada ilk oluşan mineralin kararlı bir yapıya sahip olamadığı durumlarda görülür.

Akvaristin pek işine yaramayacak olsa da bazı demir bileşiklerinin adını ve temel özelliklerini vermekte fayda var.

Demirin Bitki Tarafından Emilmesi

Bitkilerde, demirin ana işlevi, kloroplastlarda ve mitokondrilerdeki redoks reaksiyonlarında görev almaktır. Demirin, bitkilerde rolleri tam olarak tanımlanamamışsa da önemli görevler üstlendiği bilinmektedir.

Demirin görevleri:

• Sitokrom, heme, hematin, ferrichrome ve hemoglobin gibi moleküllerin yapısında yer alır,
• Ferridoksin ve Fe-S proteinleri gibi heme içermeyen moleküllerin yapısında yer alır,
• Pek çok enzim sisteminde bulunur.

Bitkilerde ve diğer organizmalarda bulunan demir molekülünün büyük bir kısmı porfirinlerle birlikte bulunur. Demir porfirinlerine, bitkilerde sitokromlarda rastlanır. Sitokromların, fotosentez sisteminde ve solunum olayında görevleri vardır fakat en önemli görevleri redoks fonksiyonudur. Yani demirin, Fe+3 formundan Fe+2 formuna çevrilmesi olayında görev alır.

Demir, dünya kabuğunda ne çok bulunan dördüncü element olduğu halde, çoğu zaman bitkilerde demir eksikliği görülmesi akvaristlerin için bir trajedidir. Demir iki farklı oksidasyon halinde bulunur: Fe+3 (Ar 3d5) yani ferrik; ve Fe+2 (Ar 3d6) yani ferrous. Oksijenin varlığında Fe+2 hızla suda çok az çözünen Fe+3 e dönüşür. Yani, atmosferimizde kimyasal olarak en kararlı formu, bitkiler için kullanılması en zor olanıdır. Bu da diğer bir trajedidir.

Fe, Zn, Cu gibi ağır metal iyonları serbestçe hücreye giremez. Girebilen formlar metal yakalayıcılardır (şelatlayıcı). Şelatlayıcılar, biyolojik olarak oluşturulurlar ve iyonofor denen metal taşıyıcılar olarak kullanılırlar. Demir metali için özelleştirilmiş iyonofora, siderofor denir. Bakteri, cyanobakteri ve mantarların demir taşınması için kullandığı yöntem, sideroforları ortama bırakıp sonra bunları enerji harcayarak tekrar hücre içine almaktır. Tıpkı bir oltanın ucuna yem takıp, balığı yakalayınca geri çekmek gibi. Pek çok ortamda, değişik organizmalar arasında demir için bir rekabet vardır. Bu rekabet, organizmaların, demiri bağlamak için siderofor oluşturabilme yeteneğine göre belirlenir.

Ustilago sphaerogena mantarı üzerinde yapılan çalışmalarda, demir eksikliği durumunda organizmanın büyük miktarda kristalize maddeyi hücre dışına çıkardığı gözlemlenmiştir. Bu madde ferrikrom olarak adlandırılmıştır. U. Sphaerogena’ daki Fe taşıma sistemi pek çok mikroorganizmadakine benzer. Bir demir eksikliği durumunda bu elementin emilebilmesi için bir takım metabolik değişiklikler meydana gelir. Hücresel proteinlerin üretimi durur ve tüm öncelik deferri-ferrikromların oluşturulmasına verilir (Ferrikromların demir almamış haline deferri-ferrikrom denir). Deferi-ferrikromların demire karşı çekme sabiti (affinity constant) 1029 dur. Oysa pek çok molekülde 1015 – 1020 değerleri bile çok yüksek olarak kabul edilir. Bu yüzden ferrikrom-Fe+3 bileşikleri çok hızlı oluşur. Bu bileşik, hücre içine bir taşıma sistemiyle alınır ve alındıktan sonra siderofor indirgen olarak kullanılarak Fe+2 serbest bırakılır. Bu şekilde yeni ferrikrom dış ortama çıkarılıp tekrar kullanılır.

Ferrik demir üç pozitif değerliklidir. Fe+3, bir ferrikrom tarafından yakalanınca her hidroksalamin grubu bir proton kaybeder, böylece nötr bir molekül oluşur. Bu sayede ferrikrom şekil değiştirerek düzgün küresel bir şekle girer. Bu şekilde hücre duvarındaki algılayıcılar ferrikromun demir taşıyıp taşımadığını algılayamazlar ve molekülün hücreye girişi kolay olur.

Şekil 1: Pekçok mikroorganizmanın kullandığı tipik Fe taşıma sistemi.

Hücreye alındıktan sonra NADPH yada NADH ve siderofor indirgen kullanılarak Fe+3, Fe+2 ye indirgenir. Ferrikromun Fe+2 ye olan çekim sabiti çok küçüktür. Böylece Fe+2 kolayca ayrılır. Demir ayrıldıktan sonra deferri-ferrikrom tekrar kullanılabilir.

Daha gelişmiş bitkiler, demir emilimi için farklı yönemler geliştirmişlerdir. Normal koşullarda pH 7 iken Fe(OH)3 den alde edilen demir 2*1018 molardır. Oysa, normal bir büyüme için bitkilerin ihtiyacı olan demir bu değerden kat kat daha fazladır.

Gelişmiş bitkiler sulu ortamdaki demirden yararlanmak için iki farklı yol izlerler:

Bazı bitkiler rizosferleri içinde pH ı düşürebilirler. pH’ ın düşmesi Fe+3 ün çözünürlüğünü artırır ve Fe+2 ye indirgenmesini kolaylaştırır. Çözünmüş Fe+3 hücre duvarından salınan indirgeyici proteinler vasıtasıyla Fe+2 ye indirgenir ve daha sonra hücreye alınır. pH daha çok sitrik ve malik asitten oluşan organik asit karışımı kullanılarak indirgenir.
Diğer bitkiler ise bakteri ve mantarların yaptığı gibi, pitosidorofor denen, protein olmayan aminoasitler salarak Fe+3 iyonlarını çözerek, bir Fe-pitosidorofor bileşiği oluştururlar. Daha sonra bu ileşiği bünyelerine alırlar. Aynı yolla Zn, Mn, Cu gibi elementlerde hücre içine alınabilir. Yakalayıcıyla bileşik yapmış demirin indirgenebilmesi için elektronların sitosoldan hücre dışına tansfer edilmesi gerekir. Bitkiler bunun için biri diğerinden daha hızlı olan iki yöntem geliştirmişlerdir. Hızlı olan yöntemde FCR adı verilen bir enzim rol alır.Bu enzim sadece demir elementi için geliştirilmiştir. Zn ve Mn elementlerinin alınımında bu enzim kullanılamaz.

Köklerde absorbe edildikten sonra Fe+2, ferritinlerle birleşir. Ferritinler, demir depolayan proteinlerdir. Ferritinlerin içindeki demir, askorbatlar veya fenolik indirgeyiciler tarafından çıkarılır. Ferritinler plastidler içinde yer alır ve Fe eksikliğine karşı hücre RNA sı tarafından kontrol edilir.

Leave a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir