Dinh dưỡng vi lượng: Sắt (Fe) và Mangan (Mn)

Trong phức hợp các yếu tố dinh dưỡng cần thiết cho sự sống của thực vật, các nguyên tố vi lượng, mặc dù chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ trong tổng khối lượng khô của cây, lại đóng vai trò vô cùng quan trọng. Khác với các nguyên tố đa lượng (đạm, lân, kali) được cây trồng yêu cầu với số lượng lớn, các nguyên tố vi lượng như sắt (Iron - Fe) và mangan (Manganese - Mn) lại cần thiết với hàm lượng thấp hơn nhiều. Tuy nhiên, sự thiếu hụt hoặc mất cân bằng của chúng có thể gây ra những rối loạn nghiêm trọng trong quá trình sinh trưởng, phát triển và làm giảm đáng kể năng suất cây trồng.

Các nguyên tố vi lượng không hoạt động một cách độc lập trong cây trồng. Thay vào đó, chúng tồn tại trong một mạng lưới tương tác phức tạp, nơi sự hiện diện và nồng độ của một nguyên tố có thể ảnh hưởng đến sự hấp thu và chức năng của nguyên tố khác.

Vai trò và tầm quan trọng đối với thực vật nói chung

Sắt và mangan là hai trong số những vi chất dinh dưỡng thiết yếu, tham gia vào vô số các quá trình sinh lý và sinh hóa then chốt của thực vật.

Mặc dù không phải là thành phần cấu tạo trực tiếp của phân tử diệp lục, sắt lại đóng vai trò xúc tác và cấu trúc không thể thay thế trong quá trình tổng hợp và duy trì hàm lượng diệp lục tố trong lá. Hơn nữa, sắt là thành phần cốt lõi của các protein chứa heme như cytochromes và các protein sắt-lưu huỳnh như ferredoxin, vốn là những chất vận chuyển điện tử chủ chốt trong chuỗi chuyền điện tử quang hợp. Thông qua vai trò này, sắt trực tiếp tham gia vào quá trình chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học, nền tảng cho mọi hoạt động sống của cây.

Sắt là thành phần cấu tạo hoặc yếu tố hoạt hóa của hàng loạt enzyme quan trọng, điều khiển các phản ứng trao đổi chất thiết yếu trong cây. Các enzyme như catalase, peroxidase, aconitase và succinic dehydrogenase đều cần sắt để hoạt động hiệu quả. Vai trò của sắt trong các enzyme hô hấp là cực kỳ quan trọng, giúp giải phóng năng lượng từ các hợp chất hữu cơ để cung cấp cho các hoạt động sống của tế bào.

Sự tham gia của sắt vào cả quá trình quang hợp (thu nhận năng lượng) và hô hấp (giải phóng năng lượng) cho thấy vị trí trung tâm của nó trong cân bằng năng lượng của thực vật. Bất kỳ sự thiếu hụt sắt nào cũng sẽ gây ra những ảnh hưởng tiêu cực lan truyền đến hầu hết các quá trình sống phụ thuộc vào năng lượng của cây.

Vai trò nổi bật và không thể thay thế của mangan là thành phần cấu trúc của phức hợp giải phóng oxy (Oxygen Evolving Complex) trong Hệ thống Quang hợp II (PSII). Tại đây, Mangan xúc tác cho phản ứng quang phân ly nước, tức là tách phân tử nước (H_2​O) thành oxy (O₂​), proton (H⁺_​) và electron (e⁻) dưới tác động của ánh sáng. Quá trình này không chỉ giải phóng oxy vào khí quyển mà còn cung cấp electron cho chuỗi chuyền điện tử quang hợp, nền tảng của việc chuyển hóa năng lượng ánh sáng.

Mangan hoạt hóa nhiều loại enzyme khác nhau, tham gia vào một loạt các quá trình trao đổi chất. Các enzyme này bao gồm những enzyme trong chu trình hô hấp (decarboxylase, dehydrogenase trong chu trình Krebs), đồng hóa nitơ, và tổng hợp axit amin.

Mangan là một cofactor của enzyme Mn-superoxide dismutase (Mn-SOD), một enzyme quan trọng trong việc giải độc các gốc superoxide (một dạng của các loại oxy phản ứng - ROS) có hại. Vai trò này rất quan trọng để bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa gây ra bởi các yếu tố môi trường bất lợi như hạn hán, nhiệt độ cao, độ mặn, và ô nhiễm ozone.

Các giai đoạn sinh trưởng và nhu cầu sắt, mangan

Sắt và mangan là một nguyên tố dinh dưỡng cần thiết trong suốt vòng đời của cây, từ khi nảy mầm cho đến khi thu hoạch. Mặc dù các tài liệu không luôn chỉ rõ nhu cầu sắt ở từng giai đoạn cụ thể cho mọi loại cây, việc các triệu chứng thiếu sắt thường xuất hiện ở các mô lá non, đang sinh trưởng mạnh cho thấy một nhu cầu liên tục và thiết yếu trong suốt các giai đoạn phân chia và phát triển tế bào nhanh chóng.

Nhu cầu sắt và mangan thực tế của cây trồng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như loài cây, giống, tiềm năng năng suất, điều kiện đất đai (đặc biệt là pH) và sự tương tác với các chất dinh dưỡng khác. Nhìn chung, sắt và mangan được yêu cầu với lượng nhỏ (vi chất dinh dưỡng), khoảng 50-250 mg/kg chất khô đối với sắt và 20-50 mg/kg chất khô đối với mangan. Tỷ lệ Fe:Mn lý tưởng nằm trong khoảng 1,5:1 đến 2,5:1.

Dấu hiệu nhận biết khi cây trồng thiếu hoặc thừa sắt và mangan

Việc xác định chính xác tình trạng thiếu hoặc thừa sắt là bước quan trọng để có biện pháp can thiệp kịp thời.

Dấu hiệu cây thiếu sắt và mangan

Cả sắt và mangan đều là nguyên tố kém linh động trong cây, các mô mới hình thành phải tự hấp thu sắt từ nguồn cung cấp bên ngoài. Nếu nguồn cung này không đủ, các lá non sẽ biểu hiện triệu chứng thiếu hụt đầu tiên. Vàng lá giữa gân ở lá non (tương tự thiếu magie ở lá già) là triệu chứng điển hình và dễ nhận biết nhất. Trong trường hợp thiếu sắt nghiêm trọng, toàn bộ lá, kể cả gân lá, có thể chuyển sang màu vàng và cuối cùng là màu trắng nhợt, đỉnh sinh trưởng có thể bị kìm hãm, chuyển màu đen hoặc chết. Cây sinh trưởng còi cọc, phát triển chậm.

Dấu hiệu thừa sắt, mangan

Ngộ độc sắt không phải là vấn đề phổ biến ở các loại đất thoáng khí, thoát nước tốt, nhưng lại là một mối lo ngại đáng kể trong các điều kiện cụ thể, đặc biệt là đất ngập nước (yếm khí) dùng để trồng lúa. Hiện tượng "bronzing" là triệu chứng kinh điển. Lá già xuất hiện các đốm nhỏ màu nâu, bắt đầu từ chóp lá rồi lan dần vào giữa, làm cho toàn bộ lá chuyển sang màu nâu, tím, vàng hoặc cam, tùy thuộc vào giống lúa. Trong trường hợp ngộ độc nặng, lá chuyển sang màu nâu và chết. Hệ thống rễ bị tổn thương nghiêm trọng; rễ có thể chết và chuyển sang màu đen, ít hình thành rễ mới màu trắng. Một lớp vỏ màu đen của sắt sunfua (FeS) có thể hình thành trên bề mặt rễ trong môi trường khử mạnh.

Ngộ độc mangan thường xảy ra ở đất chua (pH <5) hoặc điều kiện ngập úng, nơi độ hòa tan của mangan tăng cao. Triệu chứng thường xuất hiện trên lá già trước tiên do sự tích lũy mangan theo thời gian. Các đốm hoặc chấm nhỏ màu nâu sẫm hoặc đen trên lá già là triệu chứng đặc trưng, các gân nhỏ ở mặt dưới lá già có thể bị hóa đen. Lá non có thể biểu hiện triệu chứng vàng lá giữa gân (tương tự thiếu sắt) do ngộ độc mangan gây cản trở sự hấp thu hoặc chuyển hóa sắt. Cây sinh trưởng còi cọc, giảm sức sống chung.

Hấp thụ dinh dưỡng sắt và mangan

Cây trồng chủ yếu hấp thụ sắt dưới dạng ion sắt II (Fe²⁺) và ion sắt III (Fe³⁺). Fe³⁺ là dạng phổ biến trong đất thoáng khí nhưng lại rất khó tan, đặc biệt ở pH trung tính đến kiềm. Fe²⁺ dễ tan hơn và do đó dễ hấp thụ hơn, nhưng lại dễ bị oxy hóa thành Fe³⁺ trong môi trường thoáng khí. Cây cũng có thể hấp thụ sắt ở dạng chelate. Rễ non, đang sinh trưởng mạnh là nơi hấp thu sắt hiệu quả nhất.

Thực vật không phải là những sinh vật thụ động trong việc hấp thu sắt. Chúng chủ động thay đổi môi trường vùng rễ để hòa tan và thu nhận sắt, đặc biệt khi sắt khan hiếm. Có hai chiến lược chính:

Chiến Lược I (hầu hết cây hai lá mầm và cây một lá mầm không thuộc họ hòa thảo): rễ cây bơm H⁺ ra vùng đất xung quanh (rhizosphere), làm axit hóa môi trường này. Việc giảm pH làm tăng độ hòa tan của các hợp chất Fe³⁺. Loại phân đạm sử dụng có thể ảnh hưởng đến quá trình này; đạm NH₄⁺​ thúc đẩy tiết H⁺, trong khi đạm NO₃⁻ có thể làm tăng pH vùng rễ. Một enzyme khử Fe³⁺-chelate (thường là FRO2) gắn trên màng tế bào rễ sẽ khử Fe³⁺ thành Fe²⁺. Ion Fe²⁺ sau đó được vận chuyển qua màng tế bào rễ vào bên trong nhờ các protein vận chuyển Fe²⁺ đặc hiệu (ví dụ, IRT1). Sự tăng cường hình thành lông hút cũng xảy ra theo Chiến Lược I.

Chiến Lược II (cây họ hòa thảo như lúa, ngô, cỏ): rễ cây tiết ra các hợp chất hữu cơ có phân tử lượng thấp, có khả năng tạo phức mạnh với sắt, gọi là phytosiderophore (ví dụ, các axit thuộc họ mugineic) vào vùng rễ. Phytosiderophore tạo phức với Fe³⁺, hình thành các phức Fe³⁺-PS hòa tan.
Các phức Fe³⁺-PS này sau đó được hấp thu vào tế bào rễ thông qua các protein vận chuyển đặc hiệu (ví dụ, các protein YSL).

Sau khi được hấp thu vào tế bào rễ, sắt cần được vận chuyển đến các bộ phận khác của cây một cách an toàn và hiệu quả. Bên trong tế bào, sắt được tạo phức với các chất chelate hữu cơ như citrate hoặc nicotianamine để duy trì độ hòa tan và ngăn ngừa các phản ứng độc hại do ion sắt tự do gây ra. Sắt được vận chuyển từ rễ lên chồi thông qua mạch gỗ. Sắt được lưu trữ trong không bào hoặc trong ferritin (một loại protein dự trữ sắt).

Cây trồng chủ yếu hấp thụ mangan dưới dạng ion hóa trị hai (Mn²⁺). Chúng cũng có thể hấp thụ mangan dưới dạng các phức hợp hữu cơ (chelate). Cây không sử dụng mangan hóa trị bốn (Mn⁴⁺). Việc hấp thu chủ yếu ở dạng Mn²⁺ cho thấy các yếu tố kiểm soát nồng độ và độ hòa tan của Mn²⁺ trong dung dịch đất (như pH, thế oxy hóa khử) là tối quan trọng đối với tính hữu dụng của nó. Ion Mn²⁺ được tế bào rễ hấp thu, có khả năng thông qua các protein vận chuyển dành cho các cation hóa trị hai. Mangan được vận chuyển lên chồi thông qua mạch gỗ.

Mối quan hệ chính giữa sắt và mangan là đối kháng. Do có cùng điện tích và kích thước ion tương đồng, Fe²⁺ và Mn²⁺ cạnh tranh trực tiếp cho cùng một kênh vận chuyển trên bề mặt rễ cây. Nếu một ion có nồng độ quá cao trong dung dịch đất, nó sẽ chiếm hết các kênh này và ngăn cản sự hấp thu của ion còn lại. Chính vì vậy, sự cân bằng về tỷ lệ giữa sắt và mangan trong đất (thường ở mức 1,5:1 đến 2,5:1) quan trọng hơn cả hàm lượng tuyệt đối của từng chất.

• Fe, Mn ↔ P: Đây là một cặp đối kháng mạnh. Trong đất, nồng độ lân cao có thể phản ứng với sắt tạo thành hợp chất sắt photphate không tan, làm cả hai trở nên khó tiêu đối với cây.
• Fe, Mn ↔ Ca, Mg: Sắt, mangan bị đối kháng bởi canxi và magie cả trực tiếp (cạnh tranh hấp thu) và gián tiếp (qua việc tăng pH đất). Thực tế, bón vôi chính là biện pháp kỹ thuật quan trọng nhất để khắc phục tình trạng ngộ độc sắt, mangan trên đất chua.
• Fe, Mn ↔ vi lượng khác: Là các vi lượng cùng là cation hóa trị hai, chúng cạnh tranh hấp thu với nhau.

Nguồn cung cấp sắt và mangan

Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất và trong đất. Đất thường chứa một lượng lớn sắt, khoảng 10% theo một số nguồn, chủ yếu tồn tại dưới dạng oxide, hydroxide, photphate và silicate. Các hợp chất này thường rất khó tan và tạo nên màu đỏ hoặc vàng đặc trưng cho nhiều loại đất. Do đó, mặc dù tổng lượng sắt trong đất cao, nhưng lượng sắt hữu dụng cho cây lại rất thấp, đặc biệt là trong các loại đất thoáng khí, có pH từ trung tính đến kiềm, Fe³⁺ chiếm ưu thế. Trong điều kiện đất chua, ngập nước (khử), Fe³⁺ có thể bị khử thành dạng Fe²⁺ dễ tan hơn, làm tăng tính hữu dụng của sắt và đôi khi có thể dẫn đến ngộ độc.

Do tính sẵn có thấp của sắt tự nhiên trong nhiều loại đất, việc bổ sung sắt qua phân bón là một biện pháp phổ biến.

• FeSO₄​.7H₂​O là loại phân sắt tương đối rẻ tiền và có thể được sử dụng để phun lên lá hoặc bón vào đất. Tuy nhiên, việc bón FeSO₄​.7H₂​O vào đất thường không hiệu quả, đặc biệt ở pH > 7, do sắt nhanh chóng bị oxy hóa và kết tủa thành các dạng không hữu dụng. Có thể mất vài năm để FeSO₄​.7H₂​O bón đất phát huy tác dụng khắc phục tình trạng thiếu sắt.
• Chelate là các hợp chất hữu cơ có khả năng "kìm giữ" ion sắt, bảo vệ nó khỏi bị kết tủa và duy trì ở dạng hòa tan, dễ hấp thu cho cây trong một khoảng pH rộng hơn so với muối vô cơ. Chúng thường hiệu quả hơn muối vô cơ, đặc biệt khi bón vào đất kiềm. Fe-EDTA, Fe-EDDHA, Fe-DTPA và các tác nhân chelate khác như axit amin, axit humic, fulvic, citrate, polyflavonoid, lignosulfonate.

Tương tác của sắt với các dinh dưỡng, ion khác:

• Nồng độ lân cao có thể gây thiếu sắt do tạo kết tủa sắt không tan trong đất hoặc có thể cả trong cây.
• Hàm lượng canxi cao và nồng độ bicarbonate cao trong nước tưới hoặc dung dịch đất (phổ biến trong điều kiện kiềm) có thể gây thiếu sắt ("vàng lá do vôi") bằng cách làm tăng pH và cạnh tranh với sự hấp thu sắt. Ion bicarbonate có thể làm bất động sắt bên trong cây.
• Sự dư thừa của các kim loại khác (đồng, kẽm) có thể cạnh tranh với sắt trong quá trình hấp thu hoặc sử dụng, gây ra tình trạng thiếu sắt. Ví dụ, Cu, Zn, Mn cao (từ thuốc BVTV).

Mangan có thể được cung cấp cho cây từ các nguồn tự nhiên trong đất, chất hữu cơ và các loại phân bón. Mangan tồn tại trong đất dưới nhiều dạng khác nhau, bao gồm Mn²⁺ trao đổi, Mn tạo phức với chất hữu cơ, và các oxide mangan khác nhau. Nó cũng là thành phần của các khoáng silicate sắt-mangan. Tính hữu dụng này phụ thuộc rất lớn vào pH và điều kiện oxy hóa khử của đất. Điều kiện đất chua, khử (ngập nước) làm tăng độ hòa tan của Mn²⁺, trong khi điều kiện đất kiềm, oxy hóa làm giảm độ hòa tan. Việc quản lý mangan không chỉ là về tổng lượng trong đất mà còn là quản lý môi trường đất để ưu tiên dạng Mn²⁺.

MnSO₄​.H₂​O là nguồn phổ biến, dễ tan và hiệu quả cho cả việc bón đất và phun lá. Mn-EDTA dễ tan và hiệu quả, đặc biệt khi phun lá để cải thiện độ ổn định và sự hấp thu.

Nồng độ cao của sắt trong dung dịch đất có thể làm giảm sự hấp thu mangan của cây, và ngược lại, nồng độ mangan cao cũng có thể làm giảm sự hấp thu sắt. Điều này cho thấy có sự cạnh tranh giữa hai ion này đối với các vị trí liên kết chung trên protein vận chuyển ở rễ hoặc sự can thiệp lẫn nhau trong cơ chế hấp thu.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ giữa sắt và mangan (Fe/Mn) trong mô thực vật là một yếu tố quyết định quan trọng hơn so với nồng độ tuyệt đối của từng nguyên tố đối với sự sinh trưởng và phát triển bình thường của cây. Cây sinh trưởng bình thường và cho năng suất cao nhất khi tỷ lệ Fe/Mn trong mô nằm trong khoảng hẹp từ 1,5 đến 2,5. Tỷ lệ nằm ngoài khoảng tối ưu này có thể dẫn đến các triệu chứng bệnh lý.

Quản lý dinh dưỡng sắt và mangan bền vững

Việc quản lý hiệu quả dinh dưỡng sắt và mangan đòi hỏi một cách tiếp cận tổng hợp, kết hợp các biện pháp quản lý đất, thực hành bón phân hợp lý và theo dõi chặt chẽ tình trạng dinh dưỡng của cây.

Trong đất kiềm (pH cao), nơi thiếu sắt và mangan là phổ biến, cần có biện pháp hạ pH vùng rễ nếu có thể, hoặc sử dụng các loại phân bón có tính axit (ví dụ, phân đạm gốc NH4⁺) hoặc lưu huỳnh nguyên tố. Tránh bón vôi quá mức.

Thường xuyên bổ sung các loại phân hữu cơ đã hoai mục như compost, phân chuồng để cải thiện cấu trúc đất, khả năng giữ nước và chu trình dinh dưỡng. Chất hữu cơ cung cấp các tác nhân chelate tự nhiên (axit humic/fulvic) có thể tăng cường tính hữu dụng của sắt và mangan.

Cải thiện hệ thống thoát nước ở những vùng đất bị úng để ngăn chặn tình trạng yếm khí kéo dài, có thể dẫn đến ngộ độc sắt hoặc ảnh hưởng đến tính hữu dụng của mangan. Giảm độ nén chặt của đất để đảm bảo rễ phát triển tốt và cung cấp đủ oxy cho quá trình hấp thu dinh dưỡng chủ động.

Kết luận

Sắt (Fe) và mangan (Mn) là hai nguyên tố vi lượng có vai trò cực kỳ quan trọng và đa dạng đối với đời sống thực vật. Chúng tham gia vào các quá trình cốt lõi như quang hợp, hô hấp, hoạt hóa enzyme và bảo vệ cây trồng trước các yếu tố stress từ môi trường. Mặc dù sắt và mangan thường tồn tại với trữ lượng lớn trong nhiều loại đất, tính hữu dụng của chúng đối với cây trồng lại thường bị hạn chế bởi các yếu tố hóa học và sinh học phức tạp trong đất, trong đó pH đất đóng vai trò chủ đạo.

Sự tương tác giữa sắt và mangan, đặc biệt là tầm quan trọng của việc duy trì một tỷ lệ Fe/Mn cân đối, là một khía cạnh then chốt cần được quan tâm để tránh tình trạng thiếu hụt hoặc ngộ độc cảm ứng. Một sự hiểu biết sâu sắc về các cơ chế hấp thu chuyên biệt mà thực vật đã tiến hóa để thu nhận hai nguyên tố này, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đó, là nền tảng cho việc xây dựng các chiến lược dinh dưỡng hiệu quả.

Để tối ưu hóa dinh dưỡng sắt và mangan, cần áp dụng dựa trên hiểu biết khoa học. Điều này bao gồm các biện pháp quản lý sức khỏe đất như điều chỉnh pH phù hợp, tăng cường hàm lượng chất hữu cơ, đảm bảo độ thoáng khí và thoát nước tốt, kết hợp với việc sử dụng phân bón một cách hợp lý, lựa chọn đúng nguồn cung cấp, đúng thời điểm và đúng phương pháp bón.