Environmentally benign Fe chelates in plant nutrition

Abstract

Kasvit saavat Suomen lievästi happamista peltomaista riittävästi rautaa (Fe) kasvuunsa. Peltoviljelyssä raudan puutosta esiintyy kalkkipitoisissa maissa, koska raudan liukoisuus alenee nopeasti maan pH:n kohotessa. Myös kasvihuoneviljelyssä voi esiintyä raudan puutosta. Raudan liukoisuutta voidaan lisätä käyttämällä synteettisiä kelatointiaineita kuten etyleenidiaminitetraetikkahappoa (EDTA) tai etyleenidiimonobis(2-hydroksyphenyyli)etikkahappoa (EDDHA). Kelatointiaineet ovat kuitenkin kalliita (EDDHA) tai niiden biohajoaminen on hidasta (EDTA). Pysyvyys maaperässä voi lisätä haitallisten raskasmetallien, kuten kadmiumin ja lyijyn, liukoisuutta ja siten niiden huuhtoutumisriskiä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin biohajoavien kelatointiaineiden (etyleenidiaminidisukkinaatti, EDDS) muodostamien rautakelaattien soveltuvuutta salaatin ja raiheinän raudan lähteeksi sekä kelaattien vaikutusta muiden alkuaineiden ottoon ja liukoisuuteen maassa. Verranteina käytettiin EDTA:ta ja EDDHA:ta. Tulokset osoittivat, että biohajoavat kelaatit (Fe-EDDS(S,S) ja stereoisomeerien seos, FeEDDS(mix), jossa 25 % [S,S]-EDDS, 25 % [R,R]-EDDS ja 50 % [S,R]/[R,S]-EDDS) turvasivat salaatin ja raiheinän raudansaannin kvartsihiekassa yhtä hyvin kuin Fe-EDTA ja Fe-EDDHA, riippumatta hiekan pH:sta. Tulosten perusteella biohajoava [S,S]-EDDS voisi olla kasvihuoneviljelyssä potentiaalinen kelatointiaine raudalle, kun kasvualustana on kivivilla. Vaikka [S,S]-EDDS hajoaa maassa nopeasti, voitaisiin kasvihuoneissa yleisesti käytetyn tippukastelun avulla todennäköisesti ylläpitää riittävä Fe-EDDS(S,S):n pitoisuus kasvien raudan saannin turvaamiseksi. Kalkkipitoisissa maissa Fe-EDDS(S,S):n teho oli heikompi, mutta Fe-EDDS(mix) kasvatti salaatin rautapitoisuuden samalle tasolle kuin Fe-EDDHA, kun lannoite annettiin tippukastelun tapaan kaksi kertaa viikossa. Kalkkipitoisessa maassa [S,S]-EDDS biohajosi 28 vuorokaudessa. EDDS(mix) oli heikommin biohajoava ja 10 % lisätystä määrästä oli jäljellä 56 vuorokauden jälkeeen, kun mittarina käytettiin kelatoituneita raskasmetallipitoisuuksia (Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Ni, Cd ja Pb). Raudan puutos kasvatti salaatin mangaanipitoisuutta kvartsihiekassa ja kalkkipitoisessa maassa, kun taas rautakelaatit pienensivät sitä. Samoin tapahtui sinkin ja kuparin pitoisuuksille happamassa kvartsihiekassa. EDDHA vaikutti todennäköisesti myös salaatin hormonitasapainoon alentaessaan salaatin sinkki- ja mangaanipitoisuuksia enemmän kuin muut kelaatit. Raudan saatavuus vaikutti vain vähän raiheinän ravinnepitoisuuksiin. Salaatilla tutkittiin myös kelatointiaineiden vaikutusta happiradikaaleja vähentävien entsyymien (askorbaattiperoksidaasi, guajakoliperoksidaasi, katalaasi, Cu/Zn-superoksididismutaasi ja Mn-superoksididismutaasi) aktiivisuuksiin. Raudan saatavuus vaikutti salaatin askorbaattiperoksidaasin, guajakoliperoksidaasin ja katalaasin aktiivisuuksiin, ja vaihtelu sinkin, kuparin ja mangaanin pitoisuuksissa puolestaan Cu/Zn- ja Mn-superoksididismutaasin aktiivisuuksiin. Kalkkipitoisessa maassa EDDS ja EDTA lisäsivät tutkituista raskasmetalleista (Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Ni, Cd ja Pb) sinkin ja kuparin liukoisuutta eniten sen jälkeen kun Fe-EDDS ja Fe-EDTA -kompleksit hajosivat, mutta vain sinkkipitoisuus kasvoi salaatissa. EDTA kasvatti kadmiumin ja lyijyn liukoisuutta kalkkimaissa, mutta ei niiden pitoisuutta salaatissa. Happamassa kvartsihiekassa raudan heikko saatavuus lisäsi salaatin koboltti- ja nikkelipitoisuutta, mutta rautakelaatit alensivat pitoisuuksia.

The low solubility of iron (Fe) depresses plant growth in calcareous soils. In order to improve Fe availability, calcareous soils are treated with synthetic ligands, such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and ethylenediimonobis(2-hydroxyphenyl)acetic acid (EDDHA). However, high expenses may hinder their use (EDDHA), and the recalcitrance of EDTA against biodegradation may increase the potential of cadmium (Cd) and lead (Pb) leaching. This study evaluated the ability of biodegradable ligands, i.e. different stereoisomers of ethylenediaminedisuccinic acid (EDDS), to provide Fe for lettuce (Lactuca sativa L.) and ryegrass (Lolium perenne cv. Prego), their effects on uptake of other elements and solubility in soils and their subsequent effects on the activity of oxygen-scavenging enzymes in lettuce. Both EDTA and EDDHA were used as reference ligands. In unlimed and limed quartz sand both FeEDDS(S,S) and a mixture of stereoisomers of FeEDDS (25% [S,S]-EDDS, 25% [R,R]-EDDS and 50% [S,R]/[R,S]-EDDS), FeEDDS(mix), were as efficient as FeEDTA and FeEDDHA in providing lettuce with Fe. However, in calcareous soils only FeEDDS(mix) was comparable to FeEDDHA when Fe was applied twice a week to mimic drip irrigation. The Fe deficiency increased the manganese (Mn) concentration in lettuce in both acidic and alkaline growth media, whereas Fe chelates depressed it. The same was observed with zinc (Zn) and copper (Cu) in acidic growth media. EDDHA probably affected the hormonal status of lettuce as well and thus depressed the uptake of Zn and Mn even more. The nutrient concentrations of ryegrass were only slightly affected by the Fe availability. After Fe chelate splitting in calcareous soils, EDDS and EDTA increased the solubility of Zn and Cu most, but only the Zn concentration was increased in lettuce. The availability of Fe increased the activity of oxygen-scavenging enzymes (ascorbate peroxidase, guaiacol peroxidase, catalase). The activity of Cu/ZnSOD (Cu/Zn superoxide dismutase) and MnSOD in lettuce leaves followed the concentrations of Zn and Mn. In acidic quartz sand low availability of Fe increased the cobalt (Co) and nickel (Ni) concentrations in lettuce, but Fe chelates decreased them. EDTA increased the solubility of Cd and Pb in calcareous soils, but not their uptake. The biodegradation of EDDS was not affected by the complexed element, and [S,S]-EDDS was biodegraded within 28 days in calcareous soils. EDDS(mix) was more recalcitrant, and after 56 days of incubation water-soluble elements (Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Ni, Cd and Pb) corresponded to 10% of the added EDDS(mix) concentration.