El nombre "silicio" se utiliza a menudo como símbolo (pars pro toto) de muchos compuestos de silicio diferentes utilizados en la agricultura, la acuicultura y como suplemento dietético para humanos y animales. El silicio como tal es un elemento químico con el símbolo Si y el número atómico 14.

Este reconocimiento de la importancia del silicio se basa ahora en los resultados de numerosas investigaciones que demuestran sus numerosos efectos beneficiosos, mencionados en revisiones recientes (1;2):

1. Crecimiento mejorado y más biomasa, debido a un aumento de la masa radicular.
2. Mayor absorción de nutrientes, como calcio, fósforo, potasio y zinc.
3. Aumento del contenido de clorofila y de la fotosíntesis.
4. Aumento de la fuerza y la rigidez, lo que hace que las plantas sean más resistentes a las tensiones físicas, como el viento o las tormentas, y reduce el riesgo de encamado (doblado o rotura del tallo).
5. Mayor tolerancia a la sequía y al calor.
6. Reducción de otros estreses abióticos.
7. Mayor resistencia a plagas y enfermedades, lo que reduce la necesidad de productos químicos protectores.
8. Aumento de la calidad con una vida útil más larga.
9. Mejora de la estructura del suelo.

La importancia del silicio para la vida en la Tierra

El silicio desempeña un papel importante en la vida en la Tierra: la biosilicificación, la formación de estructuras biológicas compuestas de sílice, y está ampliamente distribuido entre los eucariotas.

Por ejemplo: las diatomeas. Estas microalgas, presentes en cursos de agua y océanos, constituyen una parte significativa de la biomasa de la Tierra. Las diatomeas son un importante sumidero de_{CO2 y} absorben alrededor del 35% de todo el dióxido de carbono atmosférico, al tiempo que producen más del 20% de todo el oxígeno de la Tierra y casi la mitad de la materia orgánica de los océanos.

Las diatomeas necesitan silicio para su crecimiento: las paredes celulares de las diatomeas (llamadas frústulas) están compuestas de sílice que se absorbe del agua en forma de ácido monosilícico (MSA): Si(OH₎₄ o _H4SiO4), el único compuesto de silicio biodisponible. Sin silicio, no habría diatomeas, lo que tendría consecuencias desastrosas para la vida en la Tierra.

La captación de MSA en el interior celular es un proceso activo facilitado por proteínas de membrana, las SIT. Este transporte activo es necesario debido a la bajísima concentración de MSA en todos los sistemas acuáticos (3; 4). Cuando se añade MSA adicional, las diatomeas florecen, lo que se traduce en un mayor rendimiento de camarones (5) y peces (6). También se ha demostrado que la limitación de MSA en los sistemas acuáticos oceánicos facilita las infecciones víricas y la mortalidad de las diatomeas, incluidas las algas pardas (Phaeophyta) (7).

Casi todos los demás organismos acuáticos, como las algas marinas, las algas de estanque(Potamogeton) y los milenios acuáticos(Myriophyllum) contienen diversos niveles de silicio. La capacidad de las algas marinas y las plantas acuáticas para acumular silicio ha suscitado interés en diversos campos, como la agricultura y la biotecnología, por sus implicaciones para el crecimiento de las plantas, la tolerancia al estrés y las interacciones ecológicas en los ecosistemas acuáticos. La absorción de Si por la vegetación acuática no sólo es un importante sumidero transitorio de Si en el ciclo biogeoquímico global del Si, sino que también es importante para la renovación del carbono en los ecosistemas acuáticos (8).

Compuestos de silicio y ácido silícico

El silicio (Si) es el segundo elemento más abundante en la Tierra (28%) y se presenta principalmente como dióxido de silicio (sílice: _SiO2) en forma de cuarzo y en combinaciones con otros minerales. Comparado con el carbono (0,02%), el silicio es casi 1.400 veces más abundante. El silicio en los suelos se agrupa en fracciones de fase sólida, adsorbida y líquida (9).

El silicio está presente principalmente en la fracción de fase sólida, que se encuentra de forma natural en minerales como el cuarzo, los feldespatos, las micas y las arcillas. Las fracciones adsorbida y en fase líquida del Si consisten en silicatos y ácidos (poli)silícicos, de los que se puede liberar ácido monosilícico/ácido ortosilícico (MSA), el único compuesto de silicio disponible en plantas.

Otra fuente de MSA son los compuestos organosilíceos, sílice biogénica en fitolitos, en los restos de plantas y árboles. Debido al proceso de descomposición, el MSA puede liberarse gradualmente en el suelo a través de la meteorización y la disolución.

La concentración de MSA es baja, en comparación con otros iones disueltos. El ácido monosilícico es muy inestable, debido a su alta tendencia a polimerizarse en oligómeros, ácido polisilícico y finalmente en sílice amorfa (_SiO2). Debido a esta inestabilidad, la concentración en el suelo es baja, a menudo demasiado baja para el crecimiento óptimo de las plantas, lo que da lugar a una deficiencia de ácido silícico en las plantas (10).

In native soils the concentration of MSA is higher compared to agricultural soil soils, ranging from < 0.1 to 0.6 mM / 2 to 18 ppm (11).

Los ácidos polisilícicos influyen en las propiedades físicas de los suelos; pueden unirse a las partículas del suelo, lo que mejora su agregación y su capacidad de retención de agua, siendo beneficiosos en caso de sequía.

La fertilización con silicio puede aumentar la capacidad de intercambio del suelo, mejorando su capacidad hídrica, entre otros efectos beneficiosos. Todos estos efectos se deben al cambio en la composición mineral del suelo que resulta de la adición de silicatos (fertilizantes de Si) y/o de la formación de nuevos minerales arcillosos, con gran actividad biogeoquímica. Tienen grandes superficies y pueden adsorber agua, fosfatos, potasio (K), nitrógeno (N), aluminio (Al) y metales pesados (12).

Absorción de ácido monosilícico, distribución y contenido de silicio en las plantas

Monosilicic acid is absorbed by plant roots through passive diffusion or active transport. In the case of passive uptake, the silicon content in the plant is lower compared to plants with an active uptake. In most monocots, such as rice, MSA is absorbed by an active transport facilitated by membrane transporters, like the uptake of MSA in diatoms. In other plant species (mostly dicots), the uptake is the result of diffusion leading to a lower Si content of dicots. Based on the Si content, plants are classified as a) high accumulating plants (like rice, wheat, barley, bamboo, horsetail, and sugarcane) with 1-10 % dry weight Si (= 10 to 100 g kg¹); b) intermediate accumulators with 0.5-1% Si; c) low accumulators < 0.5 % Si (13).

El contenido y la disponibilidad de silicio varían en función de varios factores, como la disponibilidad de silicio en el suelo, las especies y cultivares de plantas, las condiciones de cultivo y las prácticas agrícolas, incluido el uso de fertilizantes NPK y productos fitosanitarios que repercuten negativamente en la concentración de MSA en la solución del suelo.

Una vez dentro del xilema, el MSA se desplaza hacia arriba en el xilema y se distribuye a la raíz, el tallo, los hijuelos, las hojas y las estructuras reproductivas. Aquí el ácido silícico precipita en forma de sílice (amorfa). Estas deposiciones, llamadas fitolitos, reproducen la estructura de las células proporcionando soporte estructural y fuerza, lo que hace que la planta sea más resistente a tensiones físicas como el viento/tormentas, previniendo el encamado, especialmente en monocotiledóneas. Gracias a su mayor resistencia, las plantas son menos susceptibles a las enfermedades, como las infecciones fúngicas, y a las plagas. Además, el silicio aumenta la tolerancia a otros estreses abióticos como la sequía, el calor y la toxicidad de los metales.

En general, la presencia de silicio en los tejidos vegetales contribuye a mejorar la resistencia de las plantas y su tolerancia al estrés.

Abonos silíceos y tipos de aplicación

La agricultura y las aplicaciones a largo plazo de fertilizantes NPK tradicionales pueden agotar el contenido de silicio en el suelo. Si los cultivos, especialmente las plantas que acumulan mucho Si, como el arroz, la caña de azúcar, las gramíneas, se cultivan continuamente sin suplementación de silicio, la concentración de MSA en el suelo se agotará aún más.

En caso de aplicación excesiva de nitrógeno (N), especialmente en forma de fertilizantes a base de amonio, aumentará la acidez del suelo. Las condiciones ácidas pueden disminuir la liberación de MSA de otros compuestos de silicio, reduciendo aún más su disponibilidad para la absorción por las plantas.

Así pues, el uso de fertilizantes con silicio está justificado, no sólo para los cultivos que acumulan silicio (14), sino que también se beneficiarán otros cultivos.

Estos abonos de Si deben cumplir varios criterios: un contenido relevante de Si, propiedades físicas adecuadas, disponibilidad, rentabilidad y ausencia de sustancias contaminantes/metales pesados (2).

Compuestos sólidos de silicio

Las fuentes de silicio, como el silicato cálcico (escoria), el silicato potásico, el silicato sódico, la arena de cuarzo, la ceniza de cáscara de arroz, la tierra de diatomeas, el sílice amorfo y el biocarbón, tienen un alto contenido en silicio, pero apenas están disponibles para las plantas. No obstante, cuando se aplican grandes cantidades (0,5-4 toneladas/ha), se observan efectos positivos, también debido a las propiedades de mejora del suelo. Debido a las grandes cantidades aplicadas, se dispone de cantidades relevantes de MSA a pesar de la (muy) baja tasa de conversión en MSA.

Compuestos de silicio líquido

Los fertilizantes de silicio líquido pueden dividirse en: (1) silicatos; (2) ácido silícico estabilizado; y (3) nanopartículas de sílice (15).

En las últimas 3 décadas se han utilizado silicatos líquidos, como silicatos de Na, silicatos de K, silicatos de Ca y tierra de diatomeas (ED). La aplicación de pulverizaciones de silicatos redujo la tasa de infección, mientras que las pulverizaciones de tierra de diatomeas, a menudo en combinación con la aplicación de tierra de diatomeas al suelo, tienen efectos positivos sobre el crecimiento y el rendimiento sin efectos significativos sobre el estrés biótico, como la incidencia de plagas y enfermedades (16). El ácido silícico líquido (estabilizado) (MSA y oligómeros) se utiliza desde 2003. Debido a la aplicación foliar, se necesitan cantidades más pequeñas (2-3 L/ha/ciclo de cultivo), también porque es MSA casi puro. El MSA estabilizado también puede aplicarse hidropónicamente y por empapamiento (17). El MSA líquido induce un sistema radicular más grande que resulta en una mejor absorción de nutrientes, mayores parámetros de crecimiento y un rendimiento de mayor calidad. Además, los aerosoles de MSA también reducen el estrés abiótico y biótico.

En la última década, también se han introducido las nanopartículas de sílice. Las nanopartículas son partículas de pequeño tamaño, entre 1 y 100 nm, que poseen propiedades fisicoquímicas mejoradas en comparación con el material a granel (18). La pulverización con nanopartículas de sílice también induce efectos positivos sobre el crecimiento y el rendimiento, el estrés abiótico y puede disminuir la tasa de infección. La eficacia final requiere más estudios.