Название "кремний" часто используется как условное обозначение (pars pro toto) для многих различных соединений кремния, применяемых в сельском хозяйстве, аквакультуре и в качестве пищевой добавки для людей и животных. Кремний как таковой является химическим элементом с символом Si и атомным номером 14.

Признание важности кремния в настоящее время основывается на результатах обширных исследований, демонстрирующих его многочисленные полезные эффекты, о которых говорится в последних обзорах (1;2):

1. Улучшение роста и увеличение биомассы за счет увеличения корневой массы.
2. Повышенное усвоение питательных веществ, таких как кальций, фосфор, калий и цинк.
3. Повышение содержания хлорофилла и фотосинтеза.
4. Повышение прочности и жесткости растений, что делает их более устойчивыми к физическим нагрузкам, таким как ветер/шторм, снижает риск полегания (изгибания или поломки стеблей).
5. Повышенная устойчивость к засухе и жаре.
6. Снижение других абиотических стрессов.
7. Повышенная устойчивость к вредителям и болезням, снижающая потребность в применении защитных химикатов.
8. Повышение качества при увеличении срока хранения.
9. Улучшение структуры почвы.

Значение кремния для "жизни на Земле

Кремний играет важную роль в жизни на Земле: биокремниеобразование, формирование биологических структур, состоящих из кремнезема, и широко распространен среди эукариот.

Например: диатомовые водоросли. Эти микроводоросли, обитающие в водоемах и океанах, составляют значительную часть биомассы Земли. Диатомовые водоросли являются важным поглотителем_{CO2 и} поглощают около 35% всего атмосферного углекислого газа, одновременно производя более 20% всего кислорода на Земле и почти половину органического материала в океанах.

Для роста диатомовых водорослей необходим кремний: клеточные стенки диатомей (так называемые фрустулы) состоят из кремния, поглощаемого из воды в виде монокремниевой кислоты (ММК): Si(OH₎₄ или _H4SiO4), единственного биодоступного соединения кремния. Без кремния диатомовые водоросли вообще не существовали бы, что имело бы катастрофические последствия для жизни на Земле.

Поглощение МСА внутрь клетки - активный процесс, которому способствуют мембранные белки - SIT. Необходимость такого активного транспорта обусловлена очень низкой концентрацией МСА во всех водных системах (3; 4). При добавлении дополнительного количества МСА происходит цветение диатомовых водорослей, что приводит к повышению урожайности креветок (5) и рыбы (6). Также было показано, что лимитирование МСА в океанических водных системах способствует развитию вирусных инфекций и гибели диатомей, в том числе бурых водорослей (Phaeophyta) (7).

Почти все другие водные организмы, такие как морские водоросли, прудовые водоросли(Potamogeton) и водные тысячелистники(Myriophyllum), содержат различные уровни кремния. Способность водорослей и водных растений накапливать кремний вызывает интерес в различных областях, включая сельское хозяйство и биотехнологию, поскольку она влияет на рост растений, устойчивость к стрессам и экологические взаимодействия в водных экосистемах. Поглощение Si водной растительностью является не только важным переходным поглотителем Si в глобальном биогеохимическом цикле Si, но и играет важную роль в обороте углерода в водных экосистемах (8).

Соединения кремния и кремниевая кислота

Кремний (Si) - второй по распространенности элемент на Земле (28%), встречающийся в основном в виде диоксида кремния (кремнезема: _SiO2) в составе кварца, а также в комбинациях с другими минералами. По сравнению с углеродом (0,02%) кремний почти в 1400 раз более распространен. Кремний в почвах подразделяется на фракции твердой, адсорбированной и жидкой фаз (9).

Кремний присутствует в основном в твердой фазе, которая встречается в природе в таких минералах, как кварц, полевые шпаты, слюды и глины. Адсорбированная и жидкофазная фракции Si состоят из силикатов и (поли)кремниевых кислот, из которых может быть выделена монокремниевая/ортокремниевая кислота (MSA) - единственное доступное для растений соединение кремния.

Другим источником МСА являются кремнийорганические соединения, биогенный кремнезем в фитолитах, в остатках растений и деревьев. В результате процесса разложения МСА может постепенно высвобождаться в почву путем выветривания и растворения.

Концентрация MSA невелика по сравнению с другими растворенными ионами. Монокремниевая кислота очень нестабильна из-за высокой склонности к полимеризации в олигомеры, поликремниевую кислоту и, в конечном счете, в аморфный кремнезем (_SiO2). Из-за этой нестабильности концентрация ее в почве низка, часто слишком низка для оптимального роста растений, что приводит к дефициту кремниевой кислоты в растениях (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).

Поликремниевые кислоты влияют на физические свойства почв; они способны связываться с почвенными частицами, что улучшает их агрегацию и водоудерживающую способность, что благоприятно сказывается в случае засухи.

Внесение кремниевых удобрений может способствовать увеличению обменной емкости почвы, улучшению ее влагоемкости и другим полезным эффектам. Все эти эффекты обусловлены изменением минерального состава почвы в результате внесения силикатов (Si-удобрений) и/или образованием новых глинистых минералов, обладающих высокой биогеохимической активностью. Они обладают большой площадью поверхности и способны адсорбировать воду, фосфаты, калий (K), азот (N), алюминий (Al) и тяжелые металлы (12).

Поглощение монокремниевой кислоты, распределение и содержание кремния в растениях

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).

Содержание и доступность кремния варьируются в зависимости от нескольких факторов, включая наличие кремния в почве, виды и сорта растений, условия выращивания и агротехнические приемы, в том числе использование NPK-удобрений и фитосанитарных средств, которые оказывают негативное влияние на концентрацию МСА в почвенном растворе.

Попадая в ксилему, MSA перемещается по ней вверх и распределяется в корень, стебель, почвопокровники, листья и репродуктивные структуры. Здесь кремниевая кислота выпадает в осадок в виде (аморфного) кремнезема. Эти отложения, называемые фитолитами, повторяют структуру клеток, обеспечивая структурную поддержку и прочность, делая растение более устойчивым к физическим нагрузкам, таким как ветер/шторм, предотвращая полегание, особенно у однодольных. Благодаря повышенной прочности растения также менее восприимчивы к болезням, таким как грибковые инфекции, и вредителям. Кроме того, кремний повышает устойчивость к другим абиотическим стрессам, таким как засуха, жара и токсичность металлов.

В целом присутствие кремния в тканях растений способствует повышению их устойчивости и стрессоустойчивости.

Кремниевые удобрения и виды их применения

Сельское хозяйство и длительное применение традиционных NPK-удобрений может привести к истощению запасов кремния в почве. Если сельскохозяйственные культуры, особенно растения с высоким содержанием Si, такие как рис, сахарный тростник, травы, постоянно выращивать без подкормки кремнием, то концентрация MSA в почве будет еще больше снижаться.

При избыточном внесении азота (N), особенно в виде удобрений на основе аммония, кислотность почвы повышается. Кислые условия могут снижать высвобождение МСА из других соединений кремния, что еще больше снижает его доступность для поглощения растениями.

Таким образом, существует обоснование применения кремниевых удобрений не только для культур, накапливающих кремний (14), но и для других культур.

Эти Si-удобрения должны отвечать нескольким критериям: соответствующее содержание Si, подходящие физические свойства, доступность, экономическая эффективность, отсутствие загрязняющих веществ/тяжелых металлов (2).

Твердые соединения кремния

Такие источники кремния, как силикат кальция (шлак), силикат калия, силикат натрия, кварцевый песок, зола рисовой шелухи, кизельгур, аморфный кремнезем и биочар, имеют высокое содержание кремния, но практически недоступны для растений. Тем не менее, при внесении больших объемов (0,5-4 т/га) наблюдается положительный эффект, в том числе и за счет почвоулучшающих свойств. Благодаря большому количеству вносимого материала, несмотря на очень низкий уровень конверсии в MSA, становится доступным соответствующее количество MSA.

Жидкие кремниевые соединения

Жидкие кремниевые удобрения можно разделить на: (1) силикаты; (2) стабилизированную кремниевую кислоту; (3) наночастицы кремния (15).

В последние три десятилетия используются жидкие силикаты, такие как Na-силикаты, K-силикаты, Ca-силикаты и кизельгур (ДЭ). Применение силикатных опрыскивателей снижало уровень заражения, а опрыскивание ДЭ, часто в сочетании с внесением ДЭ в почву, оказывало положительное влияние на рост и урожайность без существенного воздействия на биотические стрессы, такие как поражение вредителями и болезнями (16). Жидкая (стабилизированная) кремниевая кислота (МСА и олигомеры) используется с 2003 года. При внекорневом внесении требуется меньшее количество препарата (2-3 л/га на цикл посева), в том числе и потому, что это практически чистая МСА. Стабилизированный МСА может применяться также гидропонным способом и методом окучивания (17). Жидкий МСА вызывает увеличение корневой системы, что приводит к усиленному поглощению питательных веществ, повышению параметров роста и урожайности с более высоким качеством. Кроме того, МСА-спреи снижают как абиотические, так и биотические стрессы.

В последнее десятилетие появились также частицы нанокремнезема. Наночастицы - это частицы малого размера от 1 до 100 нм, обладающие улучшенными физико-химическими свойствами по сравнению с сыпучим материалом (18). Опрыскивание наночастицами кремнезема также оказывает положительное влияние на рост и урожайность, абиотические стрессы и может снижать уровень заражения. Окончательная эффективность требует дальнейших исследований.