Le nom "silicium" est souvent utilisé comme symbole (pars pro toto) pour de nombreux composés de silicium différents utilisés dans l'agriculture, l'aquaculture et comme complément alimentaire pour les humains et les animaux. Le silicium en tant que tel est un élément chimique dont le symbole est Si et le numéro atomique 14.

Cette reconnaissance de l'importance du silicium s'appuie aujourd'hui sur les résultats de recherches approfondies montrant les nombreux effets bénéfiques, mentionnés dans des revues récentes (1;2) :

1. Amélioration de la croissance et de la biomasse grâce à l'augmentation de la masse racinaire.
2. Une meilleure absorption des nutriments, comme le calcium, le phosphore, le potassium et le zinc.
3. Augmentation de la teneur en chlorophylle et de la photosynthèse.
4. Augmentation de la force et de la rigidité, ce qui rend les plantes plus résistantes aux stress physiques tels que le vent ou les tempêtes, réduisant ainsi le risque de verse (flexion ou rupture de la tige).
5. Amélioration de la tolérance à la sécheresse et à la chaleur.
6. Réduction des autres stress abiotiques.
7. Résistance accrue aux parasites et aux maladies, ce qui réduit la nécessité d'utiliser des produits chimiques de protection.
8. Augmentation de la qualité avec une durée de conservation plus longue.
9. Amélioration de la structure du sol.

L'importance du silicium pour la vie sur Terre

Le silicium joue un rôle important dans la vie sur Terre : la biosilicification, la formation de structures biologiques composées de silice, et il est largement répandu chez les eucaryotes.

Par exemple : les diatomées. Ces micro-algues présentes dans les cours d'eau et les océans constituent une part importante de la biomasse terrestre. Les diatomées constituent un important puits de_{CO2 et} absorbent environ 35 % du dioxyde de carbone atmosphérique, tout en produisant plus de 20 % de l'oxygène de la Terre et près de la moitié de la matière organique des océans.

Les diatomées ont besoin de silicium pour leur croissance : les parois cellulaires des diatomées (appelées frustules) sont composées de silice absorbée dans l'eau sous forme d'acide monosilicique (MSA) : Si(OH₎₄ ou _H4SiO4), le seul composé de silicium biodisponible. Sans silicium, les diatomées n'existeraient pas, ce qui aurait des conséquences désastreuses pour la vie sur Terre.

L'absorption de la MSA à l'intérieur de la cellule est un processus actif facilité par des protéines membranaires, les SIT. Ce transport actif est nécessaire en raison de la très faible concentration de MSA dans tous les systèmes aquatiques (3 ; 4). L'ajout de MSA entraîne la prolifération des diatomées, ce qui se traduit par des rendements plus élevés en crevettes (5) et en poissons (6). Il a également été démontré que la limitation de l'ASM dans les systèmes d'eau océaniques facilite les infections virales et la mortalité des diatomées, y compris des algues brunes (Phaeophyta) (7).

Presque tous les autres organismes aquatiques, tels que les algues, les potamots(Potamogeton) et lesmyriophylles (Myriophyllum) contiennent des niveaux variables de silicium. La capacité des algues et des plantes aquatiques à accumuler le silicium a suscité l'intérêt dans divers domaines, notamment l'agriculture et la biotechnologie, en raison de ses implications pour la croissance des plantes, la tolérance au stress et les interactions écologiques dans les écosystèmes aquatiques. L'absorption de Si par la végétation aquatique n'est pas seulement un puits transitoire important pour le Si dans le cycle biogéochimique mondial du Si, mais elle est également importante pour le renouvellement du carbone dans les écosystèmes aquatiques (8).

Composés de silicium et acide silicique

Le silicium (Si) est le deuxième élément le plus abondant sur terre (28 %). Il se présente principalement sous la forme de dioxyde de silicium (silice : _SiO2) dans le quartz et en combinaison avec d'autres minéraux. Comparé au carbone (0,02 %), le silicium est presque 1 400 fois plus abondant. Le silicium présent dans les sols est regroupé en fractions solides, adsorbées et liquides (9).

Le silicium est principalement présent dans la fraction en phase solide, qui se trouve naturellement dans des minéraux tels que le quartz, les feldspaths, les micas et les argiles. Les fractions adsorbées et en phase liquide du Si sont constituées de silicates et d'acides (poly)siliciques, à partir desquels peut être libéré l'acide monosilicique/orthosilicique (MSA), le seul composé de silicium disponible dans les plantes.

Une autre source de MSA est constituée de composés organo-siliciés, de silice biogène dans les phytolithes, dans les restes de plantes et d'arbres. En raison du processus de décomposition, le MSA peut être progressivement libéré dans le sol par altération et dissolution.

La concentration de l'ASM est faible par rapport à d'autres ions dissous. L'acide monosilicique est très instable, en raison de sa forte tendance à se polymériser en oligomères, en acide polysilicique et finalement en silice amorphe (_SiO2). En raison de cette instabilité, la concentration dans le sol est faible, souvent trop faible pour une croissance optimale des plantes, ce qui entraîne une carence en acide silicique chez les plantes (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).

Les acides polysiliciques influencent les propriétés physiques des sols ; ils peuvent se lier aux particules du sol, ce qui améliore l'agrégation du sol et la capacité de rétention d'eau, ce qui est bénéfique en cas de sécheresse.

La fertilisation au silicium peut augmenter la capacité d'échange du sol, améliorer la capacité hydrique du sol et avoir d'autres effets bénéfiques. Tous ces effets sont dus à la modification de la composition minérale du sol qui résulte de l'ajout de silicates (engrais à base de Si) et/ou de la formation de nouveaux minéraux argileux à forte activité biogéochimique. Ils ont une grande surface et peuvent adsorber l'eau, les phosphates, le potassium (K), l'azote (N), l'aluminium (Al) et les métaux lourds (12).

Absorption de l'acide monosilicique, distribution et teneur en silicium dans les plantes

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).

La teneur en silicium et sa disponibilité varient en fonction de plusieurs facteurs, notamment la disponibilité du silicium dans le sol, les espèces végétales et les cultivars, les conditions de culture et les pratiques agricoles, y compris l'utilisation d'engrais NPK et de produits phytosanitaires qui ont un impact négatif sur la concentration de MSA dans la solution du sol.

Une fois à l'intérieur du xylème, l'ASM se déplace vers le haut du xylème et est distribué à la racine, à la tige, aux talles, aux feuilles et aux structures reproductrices. L'acide silicique y précipite sous forme de silice (amorphe). Ces dépôts, appelés phytolithes, reproduisent la structure des cellules en fournissant un soutien structurel et une force, ce qui rend la plante plus résistante aux contraintes physiques telles que le vent/la tempête, empêchant la verse, en particulier chez les monocotylédones. Grâce à cette résistance accrue, les plantes sont également moins sensibles aux maladies, telles que les infections fongiques, et aux parasites. En outre, le silicium améliore la tolérance à d'autres stress abiotiques tels que la sécheresse, la chaleur et la toxicité des métaux.

Globalement, la présence de silicium dans les tissus végétaux contribue à améliorer la résistance et la tolérance au stress des plantes.

Engrais au silicium et types d'application

L'agriculture et l'application à long terme d'engrais NPK traditionnels peuvent épuiser la teneur en silicium du sol. Si les cultures, en particulier les plantes à forte accumulation de silicium, telles que le riz, la canne à sucre et les graminées, sont continuellement cultivées sans supplément de silicium, la concentration de MSA dans le sol s'appauvrira davantage.

En cas d'application excessive d'azote (N), en particulier sous la forme d'engrais à base d'ammonium, l'acidité du sol augmente. Les conditions acides peuvent diminuer la libération du MSA à partir d'autres composés de silicium, ce qui réduit encore sa disponibilité pour l'absorption par les plantes.

L'utilisation d'engrais à base de silicium est donc justifiée, non seulement pour les cultures accumulant du silicium (14), mais aussi pour d'autres cultures.

Ces engrais au Si doivent répondre à plusieurs critères : une teneur en Si appropriée, des propriétés physiques adéquates, la disponibilité, la rentabilité et l'absence de substances polluantes/métaux lourds (2).

Composés solides de silicium

Les sources de silicium, telles que le silicate de calcium (scories), le silicate de potassium, le silicate de sodium, le sable de quartz, les cendres de balle de riz, la terre de diatomée, la silice amorphe et le biochar, ont une teneur élevée en silicium, mais sont difficilement disponibles pour les plantes. Néanmoins, lorsque des quantités plus importantes sont appliquées (0,5-4 tonnes/ha), des effets positifs sont observés, notamment en raison des propriétés d'amélioration du sol. En raison des grandes quantités appliquées, des quantités importantes de MSA sont disponibles malgré le (très) faible taux de conversion en MSA.

Composés liquides de silicium

Les engrais liquides à base de silicium peuvent être divisés en : (1) silicates ; (2) acide silicique stabilisé ; et (3) nanoparticules de silice (15).

Au cours des trois dernières décennies, des silicates liquides ont été utilisés, tels que les silicates de Na, les silicates de K, les silicates de Ca et la terre de diatomée (DE). L'application de silicates par pulvérisation a réduit le taux d'infection, tandis que les pulvérisations de DE, souvent en combinaison avec l'application de DE dans le sol, ont des effets positifs sur la croissance et le rendement sans effets significatifs sur les stress biotiques tels que l'incidence des ravageurs et des maladies (16). L'acide silicique liquide (stabilisé) (MSA et oligomères) est utilisé depuis 2003. En raison de l'application foliaire, de plus petites quantités sont nécessaires (2-3 L/ha/cycle de culture), notamment parce qu'il s'agit de MSA presque pur. La MSA stabilisée peut également être appliquée par voie hydroponique et par arrosage (17). Le MSA liquide induit un système racinaire plus étendu, ce qui se traduit par une meilleure absorption des nutriments, une augmentation des paramètres de croissance et un rendement de meilleure qualité. En outre, les pulvérisations de MSA réduisent également les stress abiotiques et biotiques.

Au cours de la dernière décennie, des nanoparticules de silice ont également été introduites. Les nanoparticules sont des particules de petite taille allant de 1 à 100 nm qui possèdent des propriétés physicochimiques améliorées par rapport au matériau en vrac (18). Les pulvérisations de nanoparticules de silice ont également des effets positifs sur la croissance et le rendement, les stress abiotiques et peuvent réduire le taux d'infection. L'efficacité finale doit faire l'objet d'études plus approfondies.