Silicio (Si), mucho más que un nutriente

Diana C. González C. | Ingeniera Agrónoma |Universidad Nacional de Colombia sede Medellín | Colombia

Tomada de: https://goo.gl/HD8jc3.

Silicio en el suelo

El silicio (Si) es un elemento natural y abundante en la corteza terrestre, normalmente se encuentra en forma de dióxido de silicio (SiO2) en el cuarzo, la arena, otros tipos de rocas y arcillas (Matichenkov and Bocharnikova, 2001), los cuales son completamente insolubles y no disponibles para ser tomados por las raíces de las plantas desde la solución del suelo. Para que el Si sea asimilable debe estar como ácido ortosilícico (H4SiO4), que es la única forma aprovechable por las plantas (Mitani and Ma, 2005; Epstein, 1994). Este elemento generalmente está acompañado por el oxígeno (O2) y en algunas ocasiones combinado con aluminio (Al), manganeso (Mn), hierro (Fe) y otros minerales (Gasho, 2001).

Recientemente el silicio se ha clasificado como un elemento “cuasi esencial” o benéfico para la agricultura (Epstein, 1999), pues aunque no hace parte de una molécula o metabolito en el vegetal, ni se ha comprobado que su ausencia total en la planta pueda ocasionar la inviabilidad de la misma, sí se ha demostrado su impacto al adicionarlo a los planes de nutrición en los cultivos aportando beneficios importantes. La alta remoción de Si en el suelo por diferentes especies vegetales y las pérdidas por lixiviación o escorrentía, hacen que el silicio disponible para las plantas se agote fácilmente (Datnoff et al., 1997), por lo que requiere ser suministrarlo en fertilizantes ricos en este nutriente.

Las mayores limitaciones edáficas en la producción agrícola son la deficiencia de fósforo (P) y las cantidades de aluminio tóxico en el suelo. El P es fácilmente fijado por la presencia de altas concentraciones de metrales como Al3+, Mn2+ y el Fe2+, disminuyendo su disponibilidad en la solución del suelo y transformándose en complejos insolubles no asimilables por las plantas (Vassileva et al., 1998). Una vez en la solución del suelo, el ácido ortosilícico (H4SiO4) puede reaccionar con los complejos y ocupar el lugar del ion fosfato (H2PO4) liberando el P e incrementando su disponibilidad en el suelo (Datnoff et al., 2007). En investigaciones desarrolladas en suelos de Hawái encontraron que suministrando al suelo silicato de calcio se redujo hasta en un 47 % el P que requiere aplicarse para una buena nutrición de las plantas, variando según el tipo de suelo (Roy et al., 1971).

Por otro lado, la fuerte acidez que se encuentra en los suelos agrícolas del trópico y la presencia de aluminio tóxico en altas concentraciones son un problema que generalmente se resuelve con la aplicación de carbonatos de calcio y magnesio, los cuales, usados en exceso, contribuyen al incremento de gases de efecto invernadero, ya que por cada tonelada utilizada de carbonato de calcio  (CaCO3) se liberan 440 kg de dióxido de carbono (CO2) a la atmosfera (Thomé et al., 2011).

Una alternativa no contaminante para el ambiente se refiere al uso de minerales silicatados de calcio (Ca) y/o magnesio (Mg), los cuales tiene la capacidad de captar CO2 al utilizarse como enmiendas para neutralizar la acidez de los suelos (Bernier, 2005 and ANLEC, 2011), también reaccionan con el aluminio toxico (Al3+), formando especies de hidroxialuminosilicatos (HAS), los cuales son complejos insolubles que se precipitan y dejan de ser tóxicas para la planta (Exley and Birchall, 1992). Ma and Takahashi (2002) encontraron que a medida que agregaban ácido ortosilícico (H4SiO4) a una solución rica en Al3+, este disminuía considerablemente, tal como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Concentración de Al3+ monomérico en solución en función de la concentración de ácido silícico (H4SiO4).

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La formación de complejos no solo ocurre con el ion Al3+, también se da con cationes como Mn2+, Fe2+ y otros metales pesados que se suministran en abonos orgánicos poco o nada compostados, con altas concentraciones de cadmio (Cd), plomo (Pb), arsénico (As) y mercurio (Hg).

En un trabajo desarrollado por el equipo técnico de Agrosilicium Mejisulfatos S.A.S (2014) se logró determinar que, a medida que aumentaban las concentraciones de Magnesil®, se lograba reducir considerablemente las concentraciones de tres metales pesados: Cd, Pb y As, una hora después de aplicado el producto, liberando progresivamente ácido ortosilícico (Figura 2).

Fuente: Trabajo desarrollado por el equipo técnico de Agrosilicium Mejisulfatos S.A.S (2014).

Figura 2. Impacto del Magnesil sobre la reducción de tres metales pesados Cd y Pb.

Figura 3. Efecto del Silicio sobre el enraizamiento, macollamiento y producción de forraje del pasto Raigrás o Ballica (Loliumsp). A la izquierda se aprecia la raíz sin silicio y a la derecha con silicio.

Según Schindler et al., (1976) se forman complejos insolubles, lo cual puede ser una alternativa eficiente a la hora de remediar los biosólidos que se suministran como abono, ya que estos generalmente no están tratados de manera adecuada y su fermentación no es completa, lo cual representa un riesgo ambiental.

La formación de estos complejos insolubles permite acondicionar el suelo físicamente aumentando la capacidad de intercambio catiónico, formando coloides y, por ende, aportando estructura al suelo (Hodson and Evans, 1995) para un mayor desarrollo de raíces. En el suelo se forman ácidos polisílicos, los cuales funcionan como absorbentes saturados de agua, mejorando la retención de humedad en el suelo (Chadwick et al., 1987), acondicionándolo para solventar mejor las épocas de verano intenso.

Silicio (Si) en la planta

La alimentación del ganado de leche o de carne generalmente se hace con base en pasturas y forrajes y, en menor cantidad, con concentrado, sobre todo en épocas de sequía, razón por la cual se debe prestar mayor atención a la calidad del forraje y a las condiciones del suelo en que este se desarrolla para que pueda tener la capacidad de suministrar nutrientes en un área determinada y a un número determinado de rumiantes. En la mayoría de los estudios realizados las gramíneas están consideradas como plantas acumuladoras de Si (Hodson et al., 2005; Ma and Takahashi, 2002), un gran soporte para potencializar su uso en el cultivo de pastos y mejorar su eficiencia productiva.

Un trabajo reciente presentado por Legarda L., et al. (2015), en un cultivo de pasto ryegráss aubade, se encontró que con aportes de 100 kg/ha de silicio (Si) a la fertilización tradicional de nitrógeno (N), fósforo (P) y potasio (K), se obtuvieron producciones de forraje verde de 167.2 toneladas por hectárea al año (Ton/ha/año), una altura de la planta de 101 centímetros y materia seca de 27,44 Ton/ha/año, comparados con el tratamiento al que no se le adicionó Si en la fertilización, el cual produjo 89,09 Ton/ha/año de forraje verde, tuvo una altura de 84,67cm y producción de materia seca de 14,09 Ton/ha/año, indicando que con la adición de Si se potencializa de una manera eficiente la absorción de los demás nutrientes.

La nutrición vegetal está basada en 17 elementos esenciales, los cuales son necesarios en el desarrollo óptimo de la planta como, por ejemplo, el nitrógeno (N), fosforo (P), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg) y azufre (S), requeridos para llevar a cabo su completo ciclo de producción y los cuales son los más comúnmente aplicados en la nutrición vegetal (Taiz, 2006). Sin embargo, para estos elementos su disponibilidad y eficiencia se ve reducida hasta en un 90% (Isherwood, 1990) por efectos de lixiviación, fijación o volatilización (Osorio, 2014), debido a la acidez de los suelos y las intensas lluvias que se presentan en las regiones tropicales.

El silicio, una vez en la solución del suelo como ácido ortosilícico (H4SiO4), es absorbido por las raíces de las plantas, permitiendo un mejor desarrollo radicular y una mayor superficie de absorción de los demás nutrientes presentes en el suelo (Adatia and Besford, 1986). Desde las raíces es transportado hasta los tejidos foliares de la planta donde se acumula en la epidermis de hojas y tallos. Esta acumulación no es tóxica para la planta, ya que en exceso este elemento tiene la propiedad de polimerizarse (Ma et al., 2001), es decir autorregularse, formando fitolitos dentro de la pared celular, lo cual le otorga mayor estructura y rigidez y una mejor exposición de la hoja a la luz del sol para así estimular la fotosíntesis (Kaufman et al., 1979).

Foto: Agrosilicium Mejisulfatos S.A.S.

 

Figura 4. Desarrollo radicular de un pasto Kikuyo sin silicio (derecha) y con silicio (izquierda).

La capa de fitolitos debajo de la epidermis vegetal permite aumentar la resistencia mecánica a la penetración física de insectos plagas y hongos fitopatógenos, tal como se ilustra en la Figura 3 (Menzies et al., 1991; Dann and Muir, 2002). En algunas gramíneas el espesor de esta capa puede llegar a medir hasta 2.5 micrómetros (µm) de espesor (Yoshida et al., 1962), la cual, de acuerdo con Takanashi (2002) funciona como barrera protectora y termina por afectar el aparato bucal de los insectos plaga (Figura 4). Lo anterior fue demostrado por Moore, (1984) en el cultivo de raigrás italiano, donde el barrenador del tallo (Oscinella frut) se vio seriamente afectado en plantas que fueron tratadas con silicio.

La acumulación de este elemento en las paredes celulares no solo funciona como una protección a estrés biótico, también amortigua las condiciones de estrés hídrico, evitando la compresión de los vasos del xilema bajo condiciones de alta transpiración (Mitani y Ma, 2005; Matichenkov y Bocharnikova, 2001), además confiere tolerancia a la sequía. Ma. (1990) en un cultivo de arroz que fue tratado con aplicaciones de silicio redujo su transpiración hasta en un 30% con respecto a las plantas que no fueron tratadas.

De acuerdo con los resultados expuestos y con la información recolectada en distintos países del mundo, se destaca la importancia de incluir silicio en los planes nutricionales y de fertilización de pasturas para mejorar su productividad y contrarrestar los impactos negativos de los diferentes tipos de estrés en las plantas.

Además, la adición de silicio en los planes de fertilización, permitirá complementar la nutrición vegetal para hacer la toma de los nutrientes suministrados más eficiente.

Fuente: Yoshida et al., 1975

Figura 5. Representación esquemática de la barrera mecánica por la doble capa de silicio-celulosa.

Fuente: Goussain, et al., (2002).

Figura 6. Mandíbulas de larvas de 1er, 2do, 3er, 4to, 5to y 6to instares de S. frugiperda, alimentadas con hojas de maíz con aplicación de Silicio (izquierda) y sin Silicio (derecha). 

Lista de términos científicos

Edáfico: Perteneciente o relativo al suelo, especialmente en lo que respecta a las plantas.

Escorrentía: Movimiento del agua sobre la superficie del suelo por efecto de la gravedad.

Lixiviación: Fenómeno de desplazamiento de sustancias solubles o dispersables (arcillas, sales, bases, humus) causado por el movimiento de agua en el suelo.

Volatilización: Cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del sólido a gaseoso, por aumento de la temperatura, sin pasar por el estado líquido intermedio.

Polimerizar: Reacción química en la que dos o más moléculas pequeñas se combinan para formar otra molécula más grande.

Fitolitos: Partículas de tamaño y morfología variados que se producen en el organismo vegetal como consecuencia de un proceso de mineralización.

Estrés hídrico: Estado de los organismos sometidos a insuficiente suministro de agua.

Capacidad de intercambio catiónico: Capacidad que tiene un suelo para retener y liberar iones positivos, gracias a su contenido en arcillas y materia orgánica.

Referencias

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