A két vegyértékű vas ásványi forrásai, szerepe a talajban és a tápanyagkörfogásban

A mikrotápelemek között a vasnak kiemelt szerepe van elsősorban a klorofill képződése és a kloroplazma stabilitása szempontjából, de az abiotikus stresszhatások leküzdésében, például a szárazság okozta problémák esetében is. Az elemi állapoton kívül +2 és +3 vegyértékű ionként létező Fe a földkéreg egyik gyakori, de viszonylag alacsony mennyiségű alkotója (kb. 5 tömegszázalék) számos ásvány összetételében megtalálható.

Színek és színezők

Az ionok vegyértéke szerint jelentősen eltérő színezőhatásának köszönhetően jelenléte már kis mennyiségben is felismerhető, főleg a Fe³⁺ esetében. A sárga, sárgásbarna „okker” árnyalatok általában a víz- és/vagy hidroxiltartalmú Fe³⁺ komponensek jelenlétét mutatják, míg a vörös, piros, rózsaszínes a vízmentes Fe³⁺ anyagokra utal, előbbiek oxid-hidroxid, utóbbiak oxidos állapotban. Az Fe²⁺ alapvetően feketére színez, csökkenő mennyiség szerint szürkére, majd egyéb nem színező kationokkal, mint Al, Mg, Ca, Na stb. főként szilikátos mátrixban a zöld különböző árnyalatait idézi elő. A talajok, felszíni ásványtani képződmények esetében a sárga, vörös és fekete-szürke árnyalatokkal gyakrabban, de a zölddel ritkábban találkozunk, mivel ez főleg szilikátásványokra és üvegekre jellemző.

A kettőről három vegyértékűre történő átalakulás az oxidáció folyamata, amely levegőn, vízben oldott oxigén és CO₂ hatására, és legnagyobb intenzitással vizes oldatban működő baktériumok hatására megy végbe. Ennek terméke a „limonit” néven is ismert képződmény, amely már nem ásványként, hanem amorf és nanokristályos Fe-oxid-hidroxidok keverékeként van meghatározva, lápos területeken, források kicsapódásaiként is gyakori képződmény. A talajok esetében is a szemcsék felületén, aggregátumok üregeiben-határain megjelenő világos színű filmek az Fe³⁺ hidroxid vagy oxid-hidroxid általában nem kristályos kiválásai.

Az Fe²⁺ bázisú komponensek ilyen jellegű megjelenését viszont nem lehet szemre egyértelműen megállapítani, ugyanis a talajoldatokban lévő oldott mangán is kicsapódik hidroxidos, oxid-hidroxidos formában és fekete, szürke, kéken irizáló szürkés filmeket hoz létre. Másrészt az Fe²⁺ ilyen módon történő kicsapódása általában gátolt a szabad oxigén jelenléte miatt, amely gyorsan oxidálja azt, sokkal jellemzőbb a szerves molekulákba, kelátokba való beépülése, és sötét árnyalatú kolloid képzése. Ily módon a sötét színű, jó termékenységű talajokkal asszociált magas humusztartalom nemcsak a szerves savak, vegyületek által lesz jellegzetes sötét színű, hanem a szerves formában jelenlévő Fe²⁺ által is, amely egyébként az egyetlen növények által felvető formája a vasnak. Tehát a kelátok biztosítják a növények számára a szükséges vasat, amelyet viszont az ásványok kristályrácsából kell kiszabadítaniuk a baktériumoknak.

Oxidált komponensek

Természetes egyensúlyban lévő termőtalajokban a talaj élővilága annyi vaskelátot termel, amennyi a növényzet igénye, a talajművelés bármilyen formája azonban ezt az egyensúlyt megszünteti. A növénytermesztés által megkövetelt többlet vasforrást a műtrágyázás praktikumában a kelátképzővel elegyített vagy kelátolt vastermékekkel lehet pótolni, azonnal felvehető vasforrást biztosítva. A nem felhasznált vaskomponensek azonban gyorsan oxidálódnak, a természetes folyamatoknak megfelelően, és az oxidatív talajromlást jelző sárga elszíneződés jelentkezik, erősödik a Fe³⁺ hidroxid, oxid-hidroxid képződés által. Kétségtelenül hasznos az oxidált komponensek jelenléte is, a talajkolloidban az effektív fajlagos felület növelésére az oldott tápanyagok forgalmában, de két fontos hátrányukat ki kell emelni:

– az Fe³⁺ hidroxid és oxid-hidroxid anyagok alacsony pH-nál fokozottabban képződnek, oldhatóságuk a talajoldatban is minimális, stabil kémiai formát képviselnek,

– túlsúlyba kerülés esetén a kemoszorpció révén több ionos tápanyagot fognak megkötni, mint amennyit a kolloid forgalmába visszaadnak, az ásványképzés miatt rögösödés, podzolosodás lép fel.

A fentiek fényében az Fe²⁺-utánpótlás és Fe⁺-fázisok képződésének a késleltetése aktuális problémaként körvonalazódik a túlhajtott növénytermesztésben, valószínűleg jelentős negatív, de még kevésbé észlelt hatásokkal. A túltengést és mérgezést nem okozó mikrotápelem-pótlókhoz hasonlóan ez esetben is kihívás az „adagok” meghatározása és kijuttatása, főként az elnyújtott feltáródás kivitelezése. Az ásványokban hordozott Fe²⁺-tartalom sem a műtrágyákkal versenyezni, sem a piaci szükségletet kielégíteni nem tudja, de egyértelműen kijelenthető, hogy a talajok regenerálásához és revitalizálásához más módon nem társítható a probléma megoldása. Ahogyan az is egyértelmű, hogy a talajok eredeti, természetes vasforrását sem tudjuk ásványi formában biztosítani, mivel az főleg a talajképző kőzetek, illetve a szél által szállított porok ásványtani összetételétől függ.

Általánosan Fe²⁺-forrásként szolgáló, talajokban szokásos ásványok (részletes ismertetésük alább) a kőzetekből: biotitsor ásványai, piroxének, amfibolok, olivincsoport, kloritcsoport, gránátok, kőzetüveg; mállástermékek: illit, vermikulit, szmektit és kloritcsoport, valamint az amorf hidratált szilikátgél és ásványi-szerves komplexek, amelyeket nem lehet ásványokként jellemezni.

Dúsulásuk a kőzetekben

A vaspótlásra használt és használható természetes anyagok közül van néhány gyakori, előnyös ásványi forrás, de kizárólag vasvegyület nincs; az egy vagy több kationnal társul, és szilikátos összetételben található. Az alább felsorolt ásványok csak kivételes esetekben bányászhatók és alkalmazhatók olyan természetesen dús formában, mint a zeolit, vermikulit vagy más talajjavításra, ásványi trágyázásra használt nyersanyag. Ennek oka, hogy ásványi telepeket nem alkotnak, csak bizonyos kőzetekben dúsulnak – viszont ha ezeket a kőzeteket bányásszák, akkor a dúsított kinyerésük is könnyebbé válik. Az egyes ásványokról színes fotókat és világszintű előfordulásokat a https://www.mindat.org/webhelyen talál az érdeklődő.

Egy speciális, ásványként ritka, de talajokban és ásványi trágyaként gyakori ásvány a vivianit, Fe²⁺₃(PO₄)₂•8(H₂O) amely foszfát- és Fe²⁺-forrás is egyben. Talajokban helyben képződő, kisarányú, de a tápanyagforgalomban fontos ásványként lehet jelen, oxigénszegény reduktív (lápos, pangóvizes) környezetben stabil, levegőn könnyen oxidálódik és oldódik. Ásványi telepei szerves maradványokban gazdag üledékes kőzetekhez kapcsolódnak, elsősorban foszfátforrásként bányásszák.

Az olivincsoport a Mg²⁺ és Fe²⁺ kationokkal kitöltött M₂SiO₄ rombos szerkezet, az ultrabázikus kőzetek uralkodó alkotója, de bazaltokban, bazaltos kőzetekben is gyakori szokott lenni, következésképp ezeknek a kőzeteknek a talajaiban is. Rendszerint a magnézium domináns típusa képződik a természetben, ezáltal kiváló Mg-forrást is biztosít. Legdúsabban a peridotit gyűjtőnevű kőzetekben fordul elő, akár 90 tömegszázalékos arányban is vagy piroxénekkel együtt legalább 40 tömegszázalékban. A leggyakoribb kísérőásványaival – mint kőzetőrlemény – egy kombinált ásványi trágyát adhat Ca-, Mg-, Fe- és Si-forrásként, alkalmazása elterjedt azokon a területeken, ahol előfordulása gyakori. A Mg-os tag forszterit, a Fe-as fayalit, és a természetben ritkák, szintetikus termékként viszont a fayalit a vaskohászati salakok bizonyos típusaiban dúsul, mezőgazdasági felhasználása mégis problémás a nehézfémek jelenléte miatt.

Gránátokat azokban a talajokban találhatunk, amelyek metamorf (csillámpala, gneisz, szkarn) vagy sajátos vulkáni (gránátos andezit, gránitpegmatit) kőzeteken keletkeztek, vagy ezek mállásterméke keveredett a talajjal. A csoport képlete X₃Y₂Si₃O₁₂, ahol X két vegyértékű (Ca, Mg, Fe) Y pedig három vegyértékű (Al, Fe, Cr) kation. Az almandin, mely egyben gyakori képviselője is a csoportnak, a Fe²⁺₃Al₂(SiO₄)₃ képlettel bír, és oldódása során az alumínium imogolit-allofán gélt eredményez, így az Al felszabadulása sem esélyes.

Meddő anyagként

Az amfibol- és piroxéncsoport rokon szerkezetű ásványok, lánctípusú szilikátok, ezek számos gyakori képviselője hordoz jelentős mennyiségben (5–20 tömegszázalék) Fe²⁺ ionokat. Jelenlétük vulkáni és metamorf kőzetekben is gyakori, az alacsony szilícium- és alumíniumtartalom mellett főként, így a talajok elsődleges vasforrásai is, valamint kőzetkeverékben gyakran – bár sosem szándékosan – alkalmazott ásványi trágyakomponensek. A piroxének általános képlete XY (Si, Al)₂O₆, ahol leggyakrabban X = Ca, Na, Fe²⁺, Mg és Y = Al, Mg, Mn, Fe²⁺, Zn, Ti, és ezeket nyomokban helyettesítő ionok. Az amfibolok általános képlete összetettebb, AX₂Y₅[Z₄O₁₁]₂(OH,F)₂, ahol Z változó arányban Si és Al, az A hiányozhat (Ca-szegény amfibolok, X = Mg és Fe²⁺), lehet Na (Ca-dús amfibolok, X = Ca) vagy Na és K (alkáli amfibolok, X = Na > Ca), az Y pozícióban pedig leginkább Mg, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, kiegészítve a periódusos táblázat többi kationjával, változó és alacsony arányban. Bár piroxenit és amfibolit nevű kőzetek léteznek, jelezve ezeknek az ásványoknak az uralkodó arányát a kőzetben, ezeket csak érctelepek meddő anyagaként bányásszuk – ami változhat esetleg –, a meddő alkalmazása főleg a mérgező nehézfémek és savasodás problémájába ütközik.

Biotitként a csillámcsoport Mg²⁺ és Fe²⁺ oktaéderes kationokkal rendelkező ásványait emlegetjük, K(Mg, Fe)₃AlSi₃O₁₀(F, OH)₂ összefoglaló képlettel, ha a Mg dominál flogopit, a vasdomináns esetben pedig annit néven. Úgyszintén a talajok elsődleges vasforrásai közé tartoznak, mállásuk során vermikulit, szmektitek, illit és ezek közberétegzett szerkezetei keletkeznek. Bár csillámként a csillámpalák összetételében is jelentős mennyiségben fordul elő, a biotit vasgazdag típusa a gránitpegmatitokban és alkálikőzetekben dúsul, ahonnan bányászati meddőként (földpátok, kvarc és drágakő vagy ónérc) kerül másodnyersanyag kategóriába. Bár mezőgazdasági használata káliumtrágyaként elterjedt, ásványi trágyaként a vas- és magnéziumforrás, illetve agyagásványképző hatása annál jelentősebb a talajok számára. Jóval kisebb mennyiségben a riolittufák bizonyos típusaiban is gyakori, ahonnan kinyerni nem szokták, de kőzetőrleményként hasznosítva vas- és magnéziumforrásként jelentős.

Az 1. táblázatban néhány magas vastartalmú és elérhető ásványfajt láthatunk.

Talajmérgezés kockázata

Néhány ásvány kiemelkedően hasznosnak és hatásosnak tűnhet, a fizikai-kémiai viselkedésüket elemezve azonban kiderül, hogy ezek inkább káros és mérgező ásványok, önmagukban és társult ásványok, kémiai elemek révén is. Az Fe²⁺ egyik gyakori előfordulási formája az FeS₂, amely pirit (köbös) vagy markazit (rombos) szimmetriával jelenik meg, gyakran bakteriális tevékenység eredményeként. Mikroszemcsés formában levegőn rövid időn belül oxidatívan bomlik, így a talajokban való jelenléte helyben képződést jelez, ami oxigénszegény, szerves S-ből bakteriálisan kovertált [SO₄]^2- és Fe²⁺ jelenlétében képződik. Kőzetekben is gyakori, akár többszázalékos dúsulást is elérve, a gyors oxidációja pedig savas közeget eredményez, mikrokörnyezetében akár 1 alatti pH-val, tehát a kőzetőrlemények és készítmények esetében érdemes külön figyelni a jelenlétére. Ércbányászati meddők gyakori anyagaként akár 50 tömegszázalékos dúsulása is lehet, és bár jó választásnak tűnhet Fe²⁺ és [SO₄]^2- kevert forrásaként, a savas hatás, mérgező nehézfémek és Fe³⁺ generálása miatt tulajdonképpen csak talajméregként hatna.

A sziderit, azaz Fe²⁺ karbonát előfordulása viszonylag ritka, viszont telepszintű dúsulásokat alkothat, amelyek vasércként jelentősek az ipar számára. Egy-egy ilyen ércnek akár 20–30 tömegszázalék Fe²⁺-tartalma is lehet, alacsony S-tartalommal, és használják is vastrágyázáshoz, a hatásfoka alacsony, és károkat okozhat. A bomlása során ugyanis karbonátgyök vagy CO₂ keletkezik, és a Fe²⁺ jelentős része oxidálódik, ami együttesen csökkenti a pH-t, és Fe³⁺-kicsapódást okoz.

A fenti ásványok külön-külön való alkalmazása általában ritka, inkább a szerencsés kombinációjukból adódó kőzetek felhasználása gyakoribb mint a mezőgazdaság számára hasznos természetes, környezetkímélő tápelempótlók. Ilyen kőzetek például a bazaltok, amelyek különböző típusai Közép-Európában is sok helyen előfordulnak. De ide sorolhatók a gyémántbányászat kimberlites meddői vagy a króm- és nikkelbányászat ultrabázikus (websterit, lherzolit) olivindús meddői is.

Dr. Kristály Ferenc
Miskolci Egyetem