Il nome "silicio" è spesso usato come simbolo (pars pro toto) per molti diversi composti di silicio utilizzati in agricoltura, acquacoltura e come integratori alimentari per uomini e animali. Il silicio, in quanto tale, è un elemento chimico con il simbolo Si e il numero atomico 14.

Questo riconoscimento dell'importanza del silicio si basa oggi sui risultati di ampie ricerche che ne dimostrano i numerosi effetti benefici, citati in recenti rassegne (1;2):

1. Migliore crescita e maggiore biomassa, grazie all'aumento della massa radicale.
2. Aumenta l'assorbimento di sostanze nutritive come calcio, fosforo, potassio e zinco.
3. Aumenta il contenuto di clorofilla e la fotosintesi.
4. L'aumento della forza e della rigidità rende le piante più resistenti agli stress fisici, come il vento e le tempeste, riducendo il rischio di lodging (piegamento o rottura dello stelo).
5. Miglioramento della tolleranza alla siccità e al calore.
6. Riduzione di altri stress abiotici.
7. Maggiore resistenza a parassiti e malattie, riducendo la necessità di prodotti chimici protettivi.
8. Aumento della qualità con una maggiore durata di conservazione.
9. Miglioramento della struttura del suolo.

L'importanza del silicio per la vita sulla Terra

Il silicio svolge un ruolo importante nella vita sulla Terra: la biosilicificazione, la formazione di strutture biologiche composte da silice, ed è ampiamente distribuito tra gli eucarioti.

Ad esempio, le diatomee. Queste microalghe, presenti nei corsi d'acqua e negli oceani, costituiscono una parte significativa della biomassa terrestre. Le diatomee sono un importante serbatoio di_{CO2 e} assorbono circa il 35% di tutta l'anidride carbonica atmosferica, producendo al contempo oltre il 20% di tutto l'ossigeno presente sulla Terra e quasi la metà del materiale organico presente negli oceani.

Le diatomee hanno bisogno di silicio per la loro crescita: le pareti cellulari delle diatomee (chiamate frustoli) sono composte da silice assorbita dall'acqua sotto forma di acido monosilicico (MSA): Si(OH₎₄ o _H4SiO4), l'unico composto di silicio biodisponibile. Senza il silicio, non ci sarebbero diatomee, con conseguenze disastrose per la vita sulla Terra.

L'assorbimento dell'MSA all'interno della cellula è un processo attivo facilitato da proteine di membrana, i SIT. Questo trasporto attivo è necessario perché la concentrazione di MSA è molto bassa in tutti i sistemi idrici (3; 4). Quando si aggiunge MSA, le diatomee fioriscono, con conseguente aumento della produzione di gamberetti (5) e pesci (6). È stato inoltre dimostrato che la limitazione di MSA nei sistemi idrici oceanici facilita le infezioni virali e la mortalità delle diatomee, comprese le alghe brune (Phaeophyta) (7).

Quasi tutti gli altri organismi acquatici, come le alghe marine, le alghe di stagno(Potamogeton) e i millefoglie d'acqua(Myriophyllum) contengono vari livelli di silicio. La capacità delle alghe e delle piante acquatiche di accumulare silicio è stata oggetto di interesse in diversi campi, tra cui l'agricoltura e la biotecnologia, per le sue implicazioni sulla crescita delle piante, sulla tolleranza agli stress e sulle interazioni ecologiche negli ecosistemi acquatici. L'assorbimento di Si da parte della vegetazione acquatica non è solo un importante serbatoio transitorio per il Si nel ciclo biogeochimico globale del Si, ma è anche importante per il turnover del carbonio negli ecosistemi acquatici (8).

Composti del silicio e acido silicico

Il silicio (Si) è il secondo elemento più abbondante sulla Terra (28%) e si presenta principalmente come biossido di silicio (silice: _SiO2) sotto forma di quarzo e in combinazione con altri minerali. Rispetto al carbonio (0,02%), il silicio è quasi 1400 volte più abbondante. Il silicio nei suoli è raggruppato in frazioni solide, adsorbite e in fase liquida (9).

Il silicio è presente principalmente nella frazione in fase solida, che si trova naturalmente in minerali come quarzo, feldspati, micas e argille. Le frazioni adsorbite e in fase liquida del Si sono costituite da silicati e acidi (poli)silicici, da cui si può liberare l'acido monosilicico/ortosilicico (MSA), l'unico composto di silicio disponibile nelle piante.

Un'altra fonte di MSA è costituita da composti organo-silicei, silice biogenica nei fitoliti, nei resti di piante e alberi. A causa del processo di decomposizione, l'MSA può essere gradualmente rilasciato nel suolo attraverso gli agenti atmosferici e la dissoluzione.

La concentrazione di MSA è bassa, rispetto ad altri ioni disciolti. L'acido monosilicico è molto instabile, a causa della sua elevata tendenza a polimerizzare in oligomeri, acido polisilicico e infine in silice amorfa (_SiO2). A causa di questa instabilità, la concentrazione nel suolo è bassa, spesso troppo bassa per una crescita ottimale delle piante, con conseguente carenza di acido silicico nelle piante (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).

Gli acidi polisilicici influenzano le proprietà fisiche dei suoli; possono legarsi alle particelle del suolo, migliorandone l'aggregazione e la capacità di trattenere l'acqua, con effetti positivi in caso di siccità.

La concimazione con silicio può aumentare la capacità di scambio del suolo, migliorando la capacità idrica del suolo, e altri effetti benefici. Tutti questi effetti sono dovuti al cambiamento della composizione minerale del suolo che risulta dall'aggiunta di silicati (fertilizzanti a base di Si) e/o dalla formazione di nuovi minerali argillosi, con un'elevata attività biogeochimica. Hanno grandi superfici e possono adsorbire acqua, fosfati, potassio (K), azoto (N), alluminio (Al) e metalli pesanti (12).

L'assorbimento dell'acido monosilicico, la distribuzione e il contenuto di silicio nelle piante

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).

Il contenuto e la disponibilità di silicio variano in base a diversi fattori, tra cui la disponibilità di silicio nel suolo, le specie e le cultivar di piante, le condizioni di coltivazione e le pratiche agricole, tra cui l'uso di fertilizzanti NPK e di prodotti fitosanitari che hanno un impatto negativo sulla concentrazione di MSA nella soluzione del suolo.

Una volta all'interno dello xilema, l'MSA si sposta verso l'alto nello xilema e si distribuisce alla radice, al fusto, ai tralci, alle foglie e alle strutture riproduttive. Qui l'acido silicico precipita sotto forma di silice (amorfa). Questi depositi, chiamati fitoliti, replicano la struttura delle cellule fornendo supporto strutturale e forza, rendendo la pianta più resistente a stress fisici come vento/tempesta e prevenendo l'allettamento, soprattutto nelle monocotiledoni. Grazie alla maggiore resistenza, le piante sono anche meno suscettibili alle malattie, come le infezioni fungine, e ai parassiti. Inoltre, il silicio aumenta la tolleranza ad altri stress abiotici come la siccità, il calore e la tossicità dei metalli.

Nel complesso, la presenza di silicio nei tessuti vegetali contribuisce a migliorare la resilienza delle piante e la loro tolleranza agli stress.

Fertilizzanti a base di silicio e tipi di applicazione

L'agricoltura e le applicazioni a lungo termine di fertilizzanti NPK tradizionali possono impoverire il contenuto di silicio nel suolo. Se le colture, in particolare le piante ad alto accumulo di Si, come il riso, la canna da zucchero e le graminacee, vengono coltivate continuamente senza integrazione di silicio, la concentrazione di MSA nel suolo si esaurirà ulteriormente.

In caso di applicazione eccessiva di azoto (N), in particolare sotto forma di fertilizzanti a base di ammonio, l'acidità del suolo aumenta. Le condizioni di acidità possono diminuire il rilascio di MSA da altri composti di silicio, riducendo ulteriormente la sua disponibilità per l'assorbimento da parte delle piante.

L'uso di fertilizzanti a base di silicio è quindi giustificato, non solo per le colture ad accumulo di silicio (14), ma anche per altre colture.

Questi fertilizzanti a base di Si dovrebbero soddisfare diversi criteri: un contenuto di Si rilevante, proprietà fisiche adeguate, disponibilità, economicità e assenza di sostanze inquinanti/metalli pesanti (2).

Composti solidi di silicio

Le fonti di Si, come il silicato di calcio (scorie), il silicato di potassio, il silicato di sodio, la sabbia di quarzo, la cenere di riso, la terra di diatomee, la silice amorfa e il biochar, hanno un elevato contenuto di silicio, ma sono difficilmente disponibili per le piante. Tuttavia, quando vengono applicate quantità maggiori (0,5-4 tonnellate/ha), si osservano effetti positivi, anche grazie alle proprietà di miglioramento del suolo. A causa delle grandi quantità applicate, si rendono disponibili quantità rilevanti di MSA, nonostante il tasso di conversione (molto) basso in MSA.

Composti liquidi di silicio

I fertilizzanti liquidi a base di silicio possono essere suddivisi in: (1) silicati; (2) acido silicico stabilizzato; (3) nanoparticelle di silice (15).

Negli ultimi trent'anni sono stati utilizzati silicati liquidi, come i silicati di Na, i silicati di K, i silicati di Ca e la terra diatomacea (DE). L'applicazione di spray di silicati ha ridotto il tasso di infezione, mentre gli spray di DE, spesso in combinazione con l'applicazione di DE al suolo, hanno effetti positivi sulla crescita e sulla resa senza effetti significativi sugli stress biotici come l'incidenza di parassiti e malattie (16). L'acido silicico liquido (stabilizzato) (MSA e oligomeri) viene utilizzato dal 2003. Grazie all'applicazione fogliare, sono necessarie quantità minori (2-3 L/ha/ciclo colturale), anche perché si tratta di MSA quasi puro. L'MSA stabilizzato può essere applicato anche per via idroponica e per via drenante (17). L'MSA liquido induce un apparato radicale più esteso, con conseguente maggiore assorbimento di nutrienti, aumento dei parametri di crescita e resa di qualità superiore. Inoltre, l'MSA-spray riduce anche gli stress abiotici e biotici.

Nell'ultimo decennio sono state introdotte anche particelle di nano-silice. Le nanoparticelle sono particelle di piccole dimensioni, da 1 a 100 nm, che possiedono proprietà fisico-chimiche migliori rispetto al materiale sfuso (18). Le irrorazioni con nanoparticelle di silice inducono anche effetti positivi sulla crescita e sulla resa, sugli stress abiotici e possono ridurre il tasso di infezione. L'efficacia definitiva richiede ulteriori studi.