La funzione corroborante dei silicati ed i loro effetti sul metabolismo delle piante

di Nicolò Passeri

I silicati
I minerali di silicato, con quarzo, costituiscono oltre il 99% di tutte le rocce vulcaniche e sono i minerali che formano le rocce più comuni al mondo.
Il basalto è una roccia vulcanica a grana fine di colore scuro costituita prevalentemente da minerali che sono silicati di calcio, magnesio, ferro e potassio. I minerali comprendono augite, feldspato di plagioclasio, olivina e magnetite con feldspato di ortoclasi minore e fosfato di calcio. Il basalto tende ad essere denso e massiccio, ma può anche essere vescicolare. Questa pietra può essere modificata dai processi di alterazione. Le pietre vulcaniche, formate ad alte temperature, non sono chimicamente stabili nemmeno a temperature ambiente in presenza di acqua, che è il principale agente di alterazione.
Naturalmente, il basalto è esposto alle intemperie per un assemblaggio di minerali argillosi e zeolite. I minerali di argilla puliscono i terreni tossici, sostituendo i nutrienti persi e ripristinando rapidamente il suolo favorendo i processi organici. La zeolite è tra i membri della famiglia alluminosilicati è noto come solido microporosi o “setacci molecolari”. In agricoltura, i minerali di zeolite sono usati come trattamento del suolo. Fornisce una fonte di cationi rilasciati lentamente. La zeolite può anche fungere da moderatore d’acqua, in cui assorbono fino al 55% del loro peso in acqua e lo rilasciano lentamente secondo le richieste delle piante. Questa proprietà può prevenire il marciume radicale e moderare i cicli di siccità.
I corroboranti del suolo a base di silicato sono stati usati per modificare le proprietà e quindi migliorare la produttività dei suoli (Mc George, 1924; DAC, Manning, 2010). Una singola grande applicazione delle ceneri di basalto può ovviare alla necessità di applicare Ca e Mg per molti anni, oltre a ridurre le perdite di lisciviazione di NH4 e K applicati per un periodo altrettanto lungo (Gillman 1980). Inoltre esistono complesse interazioni che si verificano quando la polvere di roccia viene aggiunta al terreno (Zdrilic e Dumitru, 2000).

La costituzione di corroboranti a base di silicati
Gli agro-minerali sono definiti come materie prime di origine minerale per la produzione di fertilizzanti, corroboranti e ammendanti per la produzione agricola. Queste materie prime derivano da risorse geologiche che vengono sottoposte a trasformazione industriale prima di trasformarsi in un prodotto. L’elaborazione minerale comporta processi fisici e chimici. I processi fisici sono collegati a disinfezione, separazione, miscelazione, omogeneizzazione e riscaldamento (fusione). I processi chimici comportano reazioni e trasformazioni in stati solidi o soluzioni (estrazione acida, trasformazione idrotermica) con o senza processo biologico.
Se la lavorazione minerale è associata solo alla sminuzzatura (frantumazione e macinazione), allora è definita come in natura, dove sono mantenute le principali caratteristiche mineralogiche. Anche così, il grado di cristallinità dei minerali può essere influenzato da questi processi fisici e altera la disponibilità futura. I processi di disinfezione fisica in condizioni asciutte e granulometrie più fini favoriscono una maggiore solubilità.
Il tipo di polvere di roccia, la natura del suolo a cui viene applicata la polvere e i tassi di degrado e degradazione dei minerali sono fattori estremamente importanti nell’uso efficace delle polveri di roccia (Harly, 2000). È frequente inoltre che la polvere di roccia venga utilizzata come corroborante ed ammendante per la sua capacità di ritenzione e lento rilascio proprio perché non viene prontamente lisciviato dal suolo (Harley e Gilkes, 2000).
Le carenze di elementi essenziali nel suolo possono essere affrontate con l’applicazione di fertilizzanti, che sono fondamentalmente fonti di nutrienti vegetali, il cui ciclo è stimolato attraverso il suolo e la pianta. I corroboranti del suolo a base di polvere di roccia sono condizionatori del suolo e modificano le proprietà dei suoli, in particolare le loro capacità di scambio cationico, l’acidità e le capacità di fissazione del fosforo, in modo che l’acqua e i nutrienti delle piante siano resi più prontamente disponibili per le piante in crescita. I corroboranti del suolo non forniscono sostanze nutritive alle piante, ma cambiano le proprietà dei suoli in modo che i fertilizzanti (applicati o già presenti nel suolo) possano funzionare in modo più efficiente (Dalmora et al., 2016; Ramos et al., 2014).

Il silicio in agricoltura
In agricoltura, il silicio è un minerale per il quale un’enorme quantità di letteratura esamina il ruolo nel migliorare la produttività e la salute delle colture. Il silicio è abbondante nel terreno ma è principalmente in forma inerte e di conseguenza non è disponibile per l’assorbimento e l’utilizzo nel suolo dalle piante. Sebbene anni di ricerca si siano concentrati sulla comprensione del ruolo del silicio nella crescita e nello sviluppo delle piante.
Tuttavia, i benefici dei silicati per la produzione agricola sono troppo significativi per essere trascurati e, in alcune aree agricole (Tubaña et al., 2015).
Il silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre dopo l’ossigeno, con un contenuto medio del 28,8% (peso) e una concentrazione che varia dallo 0,52 al 47% in peso (McKeague e Cline 1963; Wedepohl 1995; Poldervaart, 1955).
Nelle rocce, le concentrazioni di silicio variano dal 23% (ad es. Basalto) al 46,5% (ad es. Ortoquartzite) (Monger e Kelly 2002).
Le più grandi frazioni di silicio nella fase solida sono le forme cristalline che si presentano principalmente come silicati primari e secondari e materiali di silice. I silicati minerali primari, che sono ereditati nei suoli, sono concentrati nelle particelle di sabbia e limo; considerando che le particelle di argilla prodotte dai processi pedogenici che coinvolgono i filosilicati e gli ossidi di Al-Fe, gli idrossidi contengono i silicati secondari (Allen e Hajek 1989).
Inoltre, Allen e Hajek (1989) hanno scoperto che il silicio esiste anche in forme scarsamente cristalline come i silicati ordinati a corto raggio e nelle forme microcristalline come il calcedonio e il quarzo secondario.

Figura 1 – Diverse frazioni di silicio nei suoli (modificato da Matichencov e Bocharnikova (2001) e Sauer et al. (2006))

La solubilità delle diverse forme di silicio nella fase solida influenza in modo significativo la concentrazione di silicio nella soluzione del suolo.

L’azione dei corroboranti a base di silicio
L’applicazione di un materiale ricco di silicio, come un corroborante, influenza la dinamica di diversi elementi nel terreno. Il risultato delle reazioni può essere benefico (ad esempio, alleviare la tossicità dei metalli pesanti) ma può anche essere negativo con la ridotta disponibilità di numerosi nutrienti essenziali per le piante. La capacità del silicio di influenzare la dinamica degli elementi nel terreno è dovuta all’elevata capacità di assorbimento della forma dei materiali che si trovano comunemente nel terreno e che si aggiungono al suolo. Inoltre, una maggiore concentrazione di ioni di acido silicico nel profilo del suolo porta alla formazione di complessi con metalli pesanti nel terreno e alla competizione con altri ioni per i siti di adsorbimento.
I nutrienti nel profilo del suolo con una carica positiva vengono assorbiti su una superficie di silice. In uno studio condotto da Tokunaga (1991), le perdite di lisciviazione di K (Potassio) e altri nutrienti mobili dall’orizzonte del suolo superficiale sono state ridotte grazie alla presenza di silice. I nutrienti adsorbiti sulla superficie della silice rimangono disponibili per le piante e hanno costituito la base per la tecnologia dei fertilizzanti a lenta cessione (Volker et al. 1985; Komisarov e Panfilova 1987).
Secondo numerose ricerche, la disponibilità di fosfato aumenta in corrispondenza di silicio (Gladkova 1982; Singh e Sarkar 1992; O’Reilly and Sims 1995; Matichenkov e Ammosova 1996). Matichenkov e Ammosova (1996) e Lindsay (1979) hanno delineato la serie di reazioni coinvolte tra il silicato e gli ioni fosfato in cui nella reazione provoca il rilascio di fosfati nella soluzione del suolo.
Studi precedenti hanno dimostrato che l’applicazione di materiali ricchi di silicio ha effettivamente ridotto la tossicità di Al (Alluminio) nelle piante attraverso l’assorbimento ridotto di Al (Haak e Siman 1992; Myhr ed Estad 1996). I potenziali meccanismi per questo effetto includono:

1. la precipitazione di Al causata dall’aumento del pH del suolo a causa dell’elevata concentrazione di H₄SiO₄ (Acido ortosilicico) (Lindsay 1979);
2. l’H₄SiO₄ è stato adsorbito su idrossidi di Al, ha formato un composto meno mobile e ha ridotto l’attività di Al fitotossico in soluzione (Panov et al. 1982; Baylis et al. 1994); e
3. Al mobile è fortemente assorbito sulle superfici di silice (Schulthess e Tokunaga 1996).

Questa riduzione della tossicità per Al per le piante non è causata solo dall’immobilizzazione del Al nel terreno; Rahman et al. (1998) attribuiscono questo fenomeno ad un aumento dell’assorbimento di silicio che aumenta la tolleranza della pianta a quantità eccessive di Al.
Allo stesso modo, Liang et al. (2005) hanno mostrato che la tolleranza del mais potenziata dal silicio rispetto alla tossicità del Cd (Cadmio) è stata attribuita sia all’immobilizzazione del Cd causata dall’aumento del pH del suolo, sia alla disintossicazione del Cd mediata dal silicio nella pianta.
Nel riso, l’ossidazione dello ione ferroso in ferro è aumentata a causa di un aumento della capacità ossidante indotta dal silicio delle radici (Ma e Takahashi 2002). La forma ferrosa di ferro è preferita per l’assorbimento delle piante rispetto alla forma ferrica, che impedisce l’accumulo eccessivo di Fe nel riso allagato. Wallace (1993) ha suggerito che il silicio aumenta il rilascio di OH dalle radici e l’aumento del pH del suolo alla fine ha portato alla diminuzione della solubilità di Fe.
Le piante assorbono silicio dalla soluzione del suolo sotto forma di H₄SiO₄, che si trova comunemente a concentrazioni che vanno da 0,1 a 0,6 mM ai livelli di pH presenti nella maggior parte dei terreni agricoli (Knight e Kinrade 2001). Secondo Ma et al. (2001), le radici laterali del riso sono coinvolte nell’assorbimento del silicio. Cornelis et al. (2011) hanno descritto i diversi meccanismi con cui il silicio viene assorbito dalle piante, vale a dire attivo, passivo e rifiutativo.
La quantità di assorbimento di silicio da parte del meccanismo attivo è in genere maggiore di quella prevista in base al flusso di massa ed è attribuita alla densità dei trasportatori di silicio nelle radici e nei germogli che facilitano il processo di assorbimento attraverso le membrane delle cellule radicali.
L’ H₄SiO₄ assorbito viene trasportato attraverso lo xilema e si deposita nelle superfici epidermiche delle foglie in cui viene condensato in un gel di silice polimerizzato duro (SiO₂ · nH₂O), noto anche come fitolite (Yoshida et al. 1962; Jones e Handreck 1965, 1967; Raven 1983). L’ H₄SiO₄ assorbito viene preferibilmente depositato nell’epidermide abassiale, ma man mano che la foglia cresce, la deposizione avviene nell’epidermide (Hodson e Sangster 1988).

Nel miglioramento delle tensioni biotiche, il ruolo del silicio è stato riconosciuto per la prima volta nella modifica delle proprietà della parete cellulare delle piante (Horst et al. 1999; Fawe et al. 2001; Lux et al. 2002; Iwasaki et al. 2002a, b). La deposizione di silice nei germogli aumenta la componente strutturale della pianta e crea uno strato esterno duro (Rafi et al. 1997; Bélanger et al. 2003).

Inoltre, il silicio, che è un elemento benefico, che viene fornito nel suolo. La deposizione di Si riduce le perdite d’acqua attraverso l’evapotraspirazione (Ma e Yamaji, 2006), aumenta la tolleranza a parassiti (Goussain et al., 2002) e malattie (Berni e Prabhu, 2003), metalli pesanti e alluminio tossico (Prabagar et al., 2011). Le piante diventano più erette e migliora l’efficienza fotosintetica (Pulz et al., 2008). La difesa meccanica potenziata con silicio delle piante riduce significativamente i danni causati da insetti e animali al pascolo.

L’apporto di Si può migliorare la stabilità del raccolto in conseguenza della tolleranza allo stress biotico e abiotico come il deficit idrico (Castro, 2013).

Secondo Goussain et al. (2005), la silicificazione non crea una barriera fisica contro la penetrazione dello stilo degli afidi, ma un deterrente indotto dalla differente composizione chimica delle pareti, che riduce la quantità di linfa consumata dagli afidi.

Conclusioni
Il silicio riduce la perdita di acqua attraverso la traspirazione (Hattori et al. 2005) e riduce l’assorbimento di acqua (Eneji et al. 2005) nelle foglie più grandi e spesse per una maggiore deposizione nelle pareti cellulari di tessuti epidermici (previene l’eccessiva perdita d’acqua attraverso la traspirazione) e dei vasi xilemici (impedisce la compressione dei vasi). Lo strato di silicato addensato sulla superficie fogliare riduce anche la traspirazione cuticolare.
Pertanto, il silicio aumenta la tolleranza alla siccità delle piante non solo mantenendo l’equilibrio idrico, l’efficienza fotosintetica, la struttura delle piante e la struttura dei vasi ad alti tassi di traspirazione (Hattori et al. 2005), ma migliora lo sviluppo di cellule secondarie e terziarie dell’endoderma per una migliore resistenza delle radici ai terreni asciutti e permette una crescita più rapida delle radici per esplorare un volume maggiore di suoli rispetto alle piante che vivono in terreni nel terreno il silicio è poco disponibile (Hattori et al. 2003, 2005).
Questo assorbimento di piante provoca la deposizione di silice intra ed extracellulare nel tessuto epidermico e vascolare delle foglie e delle radici monocotiledoni (Kumar et al., 2017; Soukup, 2014)

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Nicolò Passeri, Dottore Agronomo, libero professionista. Dottore di ricerca in “Economia e Territorio” presso l’Università degli Studi della Tuscia. Consulente per la certificazione prodotti biologici e analisi tecnico economiche dei processi produttivi. Collabora con l’Università degli Studi della Tuscia a progetti di ricerca su studi relativi alla valutazione della sostenibilità ambientale dei processi produttivi agricoli.