19 SiliconGeorge H. SnyderUniversit

19 Silicon
George H. Snyder
University of Florida/IFAS,
Belle Glade, Florida
Vladimir V. Matichenkov
Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russia
Lawrence E. Datnoff
University of Florida/IFAS,
Gainesville, Florida
CONTENTS
19.1 Introduction ........................................................................................................................551
19.2 Historical Perspectives ......................................................................................................552
19.3 Silicon in Plants ................................................................................................................553
19.3.1 Plant Absorption of Silicon ..................................................................................553
19.3.2 Forms of Silicon in Plants ....................................................................................553
19.3.3 Biochemical Reactions with Silicon ....................................................................553
19.4 Beneficial Effects of Silicon in Plant Nutrition ................................................................554
19.4.1 Effect of Silicon on Biotic Stresses......................................................................554
19.4.2 Effect of Silicon on Abiotic Stresses....................................................................557
19.5 Effect of Silicon on Plant Growth and Development ........................................................557
19.5.1 Effect of Silicon on Root Development ..............................................................557
19.5.2 Effect of Silicon on Fruit Formation ....................................................................557
19.5.3 Effect of Silicon on Crop Yield ............................................................................557
19.6 Silicon in Soil ....................................................................................................................561
19.6.1 Forms of Silicon in Soil........................................................................................561
19.6.2 Soil Tests ..............................................................................................................561
19.7 Silicon Fertilizers ..............................................................................................................562
19.8 Silicon in Animal Nutrition................................................................................................562
References ......................................................................................................................................562
19.1 INTRODUCTION
Silicon (Si) is the second-most abundant element of the Earth’s surface. Beginning in 1840,
numerous laboratory, greenhouse, and field experiments have shown benefits of application of silicon fertilizer for rice (Oryza sativa L.), corn (Zea mays L.), wheat (Triticum aestivum L.), barley
551
CRC_DK2972_Ch019.qxd 7/14/2006 12:16 PM Page 551
(Hordeum vulgare L.), and sugar cane (Saccharum officinarum L.). Silicon fertilizer has a double
effect on the soil–plant system. First, improved plant-silicon nutrition reinforces plant-protective
properties against diseases, insect attack, and unfavorable climatic conditions. Second, soil treatment with biogeochemically active silicon substances optimizes soil fertility through improved
water, physical and chemical soil properties, and maintenance of nutrients in plant-available
forms.
19.2 HISTORICAL PERSPECTIVES
In 1819, Sir Humphrey Davy wrote:
The siliceous epidermis of plants serves as support, protects the bark from the action of insects, and
seems to perform a part in the economy of these feeble vegetable tribes (Grasses and Equisetables) similar to that performed in the animal kingdom by the shell of crustaceous insects (1)
In the nineteenth and twentieth centuries, many naturalists measured the elemental composition of
plants. Their data demonstrated that plants usually contain silicon in amounts exceeding those of
other elements (2) (Figure 19.1). In 1840, Justius von Leibig suggested using sodium silicate as a
silicon fertilizer and conducted the first greenhouse experiments on this subject with sugar beets
(3). Starting in 1856, and being continued at present, a field experiment at the Rothamsted Station
(England) has demonstrated a marked effect of sodium silicate on grass productivity (4).
The first patents on using silicon slag as a fertilizer were obtained in 1881 by Zippicotte and
Zippicotte (5). The first soil test for plant-available silicon was conducted in the Hawaiian Islands
by Professor Maxwell in 1898 (6).
Japanese agricultural scientists appear to have been the most advanced regarding the practical
use of silicon fertilizers, having developed a complete technology for using silicon fertilizers for
rice in the 1950s and 1960s. Other investigations of the effect of silicon on plants were conducted
in France, Germany, Russia, the United States, and in other countries.
552 Handbook of Plant Nutrition
0 2 6 10 14 18 22
SiO
2
Na
2O
K
2O
60
30
SO
4
SO
4
P
2O5
MgO
Cl
CaO
In % from ash
% of ash in plants
26 30 34 38 42 46 50 54
FIGURE 19.1 Silicon in ash of cultivated plants. (From V.A. Kovda, Pochvovedenie 1:6–38, 1956.)
CRC_DK2972_Ch019.qxd 7/14/2006 12:16 PM Page 552
19.3 SILICON IN PLANTS
19.3.1 PLANT ABSORPTION OF SILICON
Tissue analyses from a wide variety of plants showed that silicon concentrations range from 1 to
100 g Si kg1 of dry weight, depending on plant species (7). Comparison of these values with those
for elements such as phosphorus, nitrogen, calcium, and others shows silicon to be present in
amounts equivalent to those of macronutrients (Figure 19.1).
Plants absorb silicon from the soil solution in the form of monosilicic acid, also called orthosilicic acid [H4SiO4] (8,9). The largest amounts of silicon are adsorbed by sugarcane (300–700 kg of
Si ha1), rice (150–300 kg of Si ha1), and wheat (50–150 kg of Si ha1) (10). On an average, plants
absorb from 50 to 200 kg of Si ha1. Such values of silicon absorbed cannot be fully explained by
passive absorption (such as diffusion or mass flow) because the upper 20 cm soil layer contains only
an average of 0.1 to 1.6 kg Si ha1 as monosilicic acid (11–13). Some results have shown that rice
roots possess specific ability to concentrate silicon from the external solution (14).
19.3.2 FORMS OF SILICON IN PLANTS
Basically, silicon is absorbed by plants as monosilicic acid or its anion (9). In the plant, silicon is
transported from the root to the shoot by means of the transportation stream in the xylem. Soluble
monosilicic acid may penetrate through cell membranes passively (15). Active transport of monosilicic acid in plants has received little study.
After root adsorption, monosilicic acid is translocated rapidly into the leaves of the plant in the
transpiration stream (16). Silicon is concentrated in the epidermal tissue as a fine layer of silicon–cellulose membrane and is associated with pectin and calcium ions (17). By this means, the
double-cuticular layer can protect and mechanically strengthen plant structures (18).
With increasing silicon concentration in the plant sap, monosilicic acid is polymerized (8). The
chemical nature of polymerized silicon has been identified as silicon gel or biogenic opal, amorphous SiO2, which is hydrated with various numbers of water molecules (9,19). Monosilicic acid
polymerization is assigned to the type of condensable polymerization with gradual dehydration of
monosilicic acid and then polysilicic acid (20,21):
n(Si(OH)4) →(SiO2) 2n(H2O)
Plants synthesize silicon-rich structures of nanometric (molecular), microscopic (ultrastructural), and macroscopic (bulk) dimensions (22). Ninety percent of absorbed silicon is transformed
into various types of phytoliths or silicon–cellulose structures, represented by amorphous silica
(18). Partly biogenic silica is generated as unique cell or inter-cell structures at the nanometer level
(23). The chemical composition of oat (Avena sativa L.) phytoliths (solid particles of SiO2) was
shown to be amorphous silica (82–86%) and varying amounts of sodium, potassium, calcium, and
iron (24). Phytoliths are highly diversified, and one plant can synthesize several forms (25,26). A
change in plant-silicon nutrition has an influence on phytolith forms (27).
19.3.3 BIOCHEMICAL REACTIONS WITH SILICON
Soluble silicon compounds, such as monosilicic acid and polysilicic acid, affect many chemical and
physical-chemical soil properties. Monosilicic acid possesses high chemical activity (21,28).
Monosilicic acid can react with aluminum, iron, and manganese with the formation of slightly soluble silicates (29,30):
Al
2Si2O5 2H 3H2O 2Al3 2H4SiO4, log Ko 15.12
Al
2Si2O5(OH)4 6H 2Al3 2H4SiO4 H2O, log Ko 5.45
Silicon 553
CRC_DK2972_Ch019.qxd 7/14/2006 12:16 PM Page 553
Fe
2SiO4 4H 2Fe2 2H4SiO4, log Ko 19.76
MnSiO
3 2H H2O Mn2 2H4SiO4, log Ko 10.25
Mn
2SiO4 4H 2Mn2 H4SiO4, log Ko 24.45
Monosilicic acid under different concentrations is able to combine with heavy metals (Cd, Pb,
Zn, Hg, and others), forming soluble complex compounds if monosilicic acid concentration is less
(31), and slightly soluble heavy metal silicates when the concentration of monosilicic acid is greater
in the system (28,32).
ZnSiO
4 4H 2Zn2 H4SiO4, log Ko 13.15
PbSiO
4 4H 2Pb2 H4SiO4, log Ko 18.45
Silicon may play a prominent part in the effects of aluminum on biological systems (33).
Significant amelioration of aluminum toxicity by silicon has been noted by different groups and in
different species (34). The main mechanism of the effect of silicon on aluminum toxicity is probably connected with the formation of nontoxic hydroxyaluminosilicate complexes (35).
The anion of monosilicic acid [Si(OH)3] can replace the phosphate anion [HPO4] 2 from
calcium, magnesium, aluminum, and iron phosphates (12). Silicon may replace phosphate from
DN

Kết quả (Việt) 2:

19 Silicon
George H. Snyder
Đại học Florida / IFAS,
Belle Glade, Florida
Vladimir V. Matichenkov
Nga Học viện Khoa học, Pushchino, Nga
Lawrence E. Datnoff
Đại học Florida / IFAS,
Gainesville, Florida
NỘI DUNG
19.1 Giới thiệu
Quan điểm lịch sử
Silicon trong thực vật
Hấp thu nhà máy của Silicon .............................................. .................................... 553
19.3.2 Các hình thức Silicon trong thực vật ..... .................................................. ............................. 553
19.3.3 Các phản ứng sinh hóa với Silicon ............. .................................................. ..... 553
19,4 lợi Ảnh hưởng của Silicon ở Nhà máy Dinh dưỡng .................................... ............................ 554
19.4.1 Ảnh hưởng của Silicon trên Biotic Nhấn mạnh ............ .................................................. ........ 554
19.4.2 Ảnh hưởng của Silicon trên stress phi sinh học ................................ .................................... 557
19,5 Ảnh hưởng của Silicon về tăng trưởng và phát triển thực vật .... .................................................. ..557
19.5.1 Ảnh hưởng của Silicon về phát triển rễ ...................................... ........................ 557
19.5.2 Ảnh hưởng của Silicon on Fruit Formation ................ .................................................. ..557
19.5.3 Ảnh hưởng của Silicon về cây trồng, năng suất ...................................... ...................................... 557
19.6 Silicon trong đất
Hình thức Silicon trong
Các xét nghiệm đất
Silicon Phân bón
Silicon ở động vật GIỚI THIỆU Silicon (Si) là yếu tố thứ hai hầu hết các phong phú của bề mặt Trái đất. Bắt đầu từ năm 1840, nhiều phòng thí nghiệm, nhà kính, và thí nghiệm đã cho thấy lợi ích của việc áp dụng phân bón silicon cho lúa (Oryza sativa L.), ngô (Zea mays L.), lúa mì (Triticum aestivum L.), lúa mạch 551 CRC_DK2972_Ch019.qxd 2006/07/14 12:16 Trang 551 (hordeum vulgare L.), và đường mía (Saccharum officinarum L.). Phân bón Silicon có một đôi tác dụng trên hệ thống đất-thực vật. Đầu tiên, cải thiện dinh dưỡng thực vật silicon củng cố thực vật bảo vệ đặc tính chống lại bệnh, côn trùng tấn công, và điều kiện khí hậu không thuận lợi. Thứ hai, xử lý đất bằng chất silicon biogeochemically hoạt động tối ưu hóa màu mỡ của đất thông qua cải thiện nước, thể chất và tính chất của đất hóa học, và bảo trì các chất dinh dưỡng trong thực vật có hình thức. 19,2 CẢNH LỊCH SỬ Năm 1819, Sir Humphrey Davy đã viết: Lớp biểu bì chứa silic của nhà máy phục vụ như hỗ trợ, bảo vệ vỏ cây từ các hành động của côn trùng, và có vẻ như để thực hiện một phần trong nền kinh tế của những bộ tộc thực vật yếu ớt (Cỏ và Equisetables) tương tự như thực hiện trong vương quốc động vật bằng vỏ của các loài côn trùng crustaceous (1) Trong XIX và đầu thế kỷ XX, nhiều nhà tự nhiên học đo các thành phần nguyên tố của thực vật. Dữ liệu của họ đã chứng minh rằng các nhà máy thường chứa silicon với số lượng vượt quá những yếu tố khác (2) (Hình 19.1). Năm 1840, Justius von Leibig đề nghị sử dụng sodium silicate như là một phân bón silic và tiến hành các thí nghiệm nhà kính đầu tiên về chủ đề này với củ cải đường (3). Bắt đầu từ năm 1856, và đang được tiếp tục hiện nay, một thử nghiệm thực tế tại Trạm Rothamsted (Anh) đã chứng minh tác dụng rõ rệt của natri silicat về năng suất cỏ (4). Các bằng sáng chế đầu tiên về việc sử dụng xỉ silicon như một loại phân bón đã thu được vào năm 1881 bởi Zippicotte và Zippicotte (5). Việc kiểm tra đất đầu tiên cho silicon thực vật có sẵn đã được tiến hành ở quần đảo Hawaii của Giáo sư Maxwell vào năm 1898 (6). Các nhà khoa học nông nghiệp Nhật Bản xuất hiện như đã được tiên tiến nhất về thực tế sử dụng phân bón silic, đã phát triển một công nghệ hoàn chỉnh để sử dụng silicon phân bón cho lúa vào những năm 1950 và 1960. Điều tra khác về tác động của silicon vào các nhà máy đã được tiến hành tại Pháp, Đức, Nga, Hoa Kỳ, và các nước khác. 552 Sổ tay của Nhà máy Dinh dưỡng 0 2 6 10 14 18 22 SiO 2 Na 2O K 2O 60 30 SO 4 SO 4 P 2O5 MgO Cl CaO Trong% từ tro% tro trong các nhà máy 26 30 34 38 42 46 50 54 Hình 19.1 Silicon trong tro của cây trồng. (Từ VA Kovda, Pochvovedenie 1: 6-38, 1956.) CRC_DK2972_Ch019.qxd 2006/07/14 12:16 Trang 552 19,3 SILICON TRÊN CÂY 19.3.1 PLANT hấp thu SILICON Tissue phân tích từ một loạt các nhà máy cho thấy nồng độ silic là từ 1 đến 100 g Si kg1 trọng lượng khô, tùy thuộc vào các loài thực vật (7). So sánh các giá trị với những yếu tố như phốt pho, nitơ, canxi, và những người khác cho thấy silicon để có mặt trong một lượng tương đương với những chất dinh dưỡng (Hình 19.1). Thực vật hấp thụ silicon từ dung dịch đất ở dạng axit monosilicic, cũng được gọi là acid orthosilicic [H4SiO4] (8,9). Số tiền lớn nhất của silicon được hấp phụ bởi mía (300-700 kg Si ha1), gạo (150-300 kg Si ha1), và lúa mì (50-150 kg Si ha1) (10). Trên trung bình, thực vật hấp thụ 50-200 kg Si ha1. Các giá trị này của silicon hấp thụ không thể được giải thích đầy đủ bằng cách hấp thụ thụ động (như khuếch tán hoặc lưu lượng) bởi vì các lớp đất 20 cm trên chỉ chứa trung bình 0,1-1,6 kg Si ha1 như axit monosilicic (11-13). Một số kết quả đã chỉ ra rằng gạo rễ có khả năng cụ thể để tập trung silicon từ các giải pháp bên ngoài (14). 19.3.2 HÌNH THỨC TRÊN CÂY SILICON Về cơ bản, silicon được hấp thụ bởi các nhà máy như axit monosilicic hoặc anion của nó (9). Trong nhà máy, silicon được vận chuyển từ gốc đến chụp bằng các phương tiện của các luồng giao thông trong mạch gỗ. Tan trong axit monosilicic có thể xâm nhập qua màng tế bào một cách thụ động (15). Vận chuyển tích cực của axit monosilicic trong các nhà máy đã nhận được rất ít nghiên cứu. Sau khi hấp thụ gốc, acid monosilicic được translocated nhanh chóng vào các lá cây trong dòng hơi nước (16). Silicon được tập trung ở các mô biểu bì là một lớp Phạt tiền silicon-cellulose màng và được kết hợp với các pectin và các ion canxi (17). Bởi điều này có nghĩa là, các lớp đôi cuticular có thể bảo vệ và tăng cường cơ cấu cây trồng (18). Với sự gia tăng nồng độ silic trong nhựa cây, acid monosilicic được polyme hóa (8). Các chất hóa học của polyme silicon đã được xác định là gel silicon hoặc opal hữu cơ, vô định hình SiO2, mà là ngậm nước với số lượng khác nhau của các phân tử nước (9,19). Monosilicic axit trùng hợp được gán cho các loại phản ứng trùng ngưng tụ với mất nước dần dần các axit monosilicic và acid sau đó polysilicic (20,21): n (Si (OH) 4) →  (SiO2) 2n (H2O) Cây cảnh tổng hợp các cấu trúc silicon giàu của nanometric (phân tử), kính hiển vi (siêu cấu trúc), và vĩ mô (số lượng lớn) kích thước (22). Chín mươi phần trăm của silicon hấp thụ được chuyển hóa thành các loại khác nhau của phytoliths hoặc cấu trúc silicon-cellulose, đại diện bởi silica vô định hình (18). Một phần silica hữu cơ được tạo ra như di động hoặc liên tế bào cấu trúc duy nhất ở cấp độ nano mét (23). Thành phần hóa học của yến mạch (Avena sativa L.) phytoliths (các hạt rắn của SiO2) đã được chứng minh là silica vô định hình (82-86%) và số lượng khác nhau của natri, kali, canxi và sắt (24). Phytoliths đang rất đa dạng, và một nhà máy có thể tổng hợp một số hình thức (25,26). Một sự thay đổi trong chế độ dinh dưỡng thực vật silicon có ảnh hưởng đến hình thức phytolith (27). 19.3.3 phản ứng sinh hóa VỚI SILICON hợp chất silic hòa tan, như axit monosilicic và axit polysilicic, ảnh hưởng đến nhiều hóa chất và tính chất của đất vật lý-hóa học. Axit Monosilicic sở hữu hoạt động hoá cao (21,28). Monosilicic axit có thể phản ứng với nhôm, sắt, mangan và với sự hình thành của các silicat tan nhẹ (29,30): Al 2Si2O5 2H 3H2O 2Al3 2H4SiO4, đăng Ko 15.12 Al 2Si2O5 (OH ) 4 6H 2Al3 2H4SiO4 H2O, đăng Ko 5,45 Silicon 553 CRC_DK2972_Ch019.qxd 2006/07/14 12:16 Page 553 Fe 2SiO4 4H 2Fe2 2H4SiO4, đăng Ko 19,76 MnSiO 3 2H H2O Mn2 2H4SiO4, đăng Ko 10,25 Mn 2SiO4 4H 2Mn2 H4SiO4 , đăng nhập Ko 24,45 Monosilicic axit dưới nồng độ khác nhau có thể kết hợp với các kim loại nặng (Cd, Pb, Zn, Hg, và những người khác), tạo thành hợp chất phức tạp tan nếu nồng độ axit monosilicic là ít (31), và ít tan silicat kim loại nặng khi nồng độ của acid monosilicic lớn trong hệ thống (28,32). ZnSiO 4 4H 2Zn2 H4SiO4, đăng Ko 13.15 PbSiO 4 4H 2Pb2 H4SiO4, đăng Ko 18.45 Silicon có thể đóng một vai trò nổi bật trong các tác dụng của nhôm trên các hệ thống sinh học (33 ). cải quan trọng của ngộ độc nhôm bằng silicon đã được ghi nhận bởi các nhóm khác nhau và ở các loài khác nhau (34). Cơ chế chính về hiệu quả của silicon về độc tính nhôm là có thể kết nối với sự hình thành các phức hydroxyaluminosilicate không độc hại (35). Các anion của axit monosilicic [Si (OH) 3] có thể thay thế các anion phosphate [HPO4] 2 từ canxi, magiê , phốt phát nhôm và sắt (12). Silicon có thể thay thế phosphate từ DN