A SiO2 képlet szerkezeti és kémiai értelme közötti különbség jelentős tényező a Si földtani körforgásának és biológiai elérhetőségének megértésében is. A dioxidot leíró összegképlet csak a negatív és pozitív töltések egyenlő arányát fejezi ki, sem anyagszerkezetre, sem kémiai felépítésre nem hordoz valós információt. Ily módon, ha a szilícium biológiai felvételéről van szó, téves szemlélet kémiai értelemben a SiO2-ot tekinteni forrásnak. Ugyanis az egyik legnagyobb arányú talajásvány a SiO2 képlettel leírt trigonális szimmetriájú ásvány a kvarc, amely a legstabilabb fázist jelenti, vízben és szerves savakban is elhanyagolható az oldódása, és mikrobiológiailag inert.
A természetben a Si fémes állapotban való (terméselem) előfordulása rendkívül ritka, és a szintetikus Si-ot is fölöslegesen adagolnánk a talajba, mert kémiai reakciókat, ásványképződést vagy biológiai kölcsönhatást nem szenvedne el, rendkívüli stabilitásából adódóan. Így a talajokban és felszíni (üledékes) környezetekben az ásványképződéshez és biológiai tápelemforrásként a szilikátásványokból és kőzetüveg összetételéből felszabaduló Si játssza a szerepet. Bár ez esetben sem Si formában szabadul fel, és annak ellenére, hogy az ásványok összetételében SiO2–ként adjuk meg az arányát, itt sem ebben a szerkezeti formában fordul elő. Úgy a kristályrácsban, mint az amorf anyagokban vagy oldott formában az ún. szilikát tetraéder, azaz [SiO4]4- jelenti a Si alapvető, minimális szerkezeti egységét. Az ennél kisebb egységek oxidos formában nem stabilak, szerves molekulák vagy szerves-szervetlen, organominerális komplexek összetételében tudnak létezni. A magasabb szintű szervetlen szerveződést polimerizációnak nevezzük, és ha csak szilikát tetraéderek alkotják a szerkezetet, oxidos ásványokról beszélünk (kvarc, cristobalit, tridimit), ha pedig a szilikát tetraéder anionként viselkedik, és kationokat koordinál, akkor pedig szilikátokról – amennyiben kristályos fázis, különben kőzetüveg, szilikátgél, azaz általánosan amorf anyag.
Kova és kovasav
A kova kifejezést általánosan használjuk olyan anyagokra, amelyek kémiai alkotója kizárólag vagy túlnyomórészt SiO2, tehát ez kémiai információt hordoz. Vulkáni, metamorf és üledékes, sőt biológiai eredetű kőzeteket is alkothat, a kovakőzetek – kemény, szilánkosan pattanó kőzetek – a paleolitikum óta sokáig az emberiség első számú ásványi nyersanyagai voltak (penge, tűzkő, puskakova stb.). A biológiai és talajtani szilíciumigény szempontjából viszont ezek jelentéktelen anyagok, mivel ásványtanilag főleg kvarc alkotja ezeket, tömött-kompakt formában. A biológiai eredetű kőzetek közül a diatomit vagy kovaföld, ami önmagában nagy tisztaságú SiO2, és a részecskék nem rendelkeznek kristályos szerkezettel, amorf kova építi fel azokat, de oldhatósága jóval elmarad a szilikátok és kőzetüveg típusú anyagokétól. Így a talajkolloidba kerülő oldott Si-forma, a kovasav és metakovasav a szilikátos összetételű ásványi anyagokból származik, a szilikát tetraéderek ionosan disszociált formáját képviselve. Innen a biológiai felvétel és szerves molekulákba való beépülés vagy az agyagásvány-képződés útvonalán halad a körforgása. Üledékes kőzetekben, felszíni vagy mélyebb rétegekben is a pórusvizekben oldott szilikát kicsapódhat opál típusú szilárd fázisként.
Ez méretekben jelentősen kisebb a közismert színes, ékkőként is használt opáloktól, de felépítésében nagyon is megegyezik, leginkább a nanokristályos és amorf Si-dioxid közötti átmeneti állapotban. Az élő talajok esetében ez a folyamat ritkán fordul elő, nagyon előrehaladott talajromlási állapotoknak kell uralkodnia ahhoz, hogy sem a biológiai, sem az ásványképződési folyamatok ne tartsák aktív állapotban az oldott szilikátot.
Kőzettani jelentősége
A kovatartalomnak a kőzetek osztályozásában elsődleges szerepe van, kőzetgenetikai csoportokat határozunk meg a teljes SiO2-tartalom szerint. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy bár a kovakőzetek (kvarcit, kvarcolit, radiolarit, diatomit) lesznek a kovasavban legdúsabb anyagok, számos kőzetnek lehet 70–80 tömeg% SiO2-tartalma, akkor is, ha a kvarc- vagy cristobalittartalom minimális, akár 1 tömeg% alatti. Ilyen kőzetek lesznek a riolitos vulkanizmus gyorsan kihűlt termékei, a perlit (hidratált vulkáni üveg), pumicit (horzsakő felhalmozódása) vagy akár a riolittufa. Ezek esetében a SiO2 az üvegszerkezetű fázisban található, amely a felszíni körülmények között instabil, enyhén savas oldatok (pl. talajvíz) hatására beindul a hidrolízis és oldódás. Az agyagásványok képződése mellett jelentős mennyiségű hidratált kovagél képződik, amely reakcióképes úgy biológiai, mint ásványképződési reakciókban is.
A fenti példák mellett még számos kőzetnek lehet magas SiO2-tartalma oly módon is, hogy képződése után, forróvizes-hidrotermás oldatok hatására történt dúsulás. Az ilyen eseteket kovásodásnak nevezzük, ide tartozik többek között a faopál képződése is – az elpusztult fa anyagát átjáró tömény kovasavas oldatok teljes részleteiben konzerválják a biológiai szerkezetet, évgyűrűket, háncsedényeket, sejteket. Számunkra viszont fontosabb lesz a vulkáni vagy üledékes kőzetek kovásodása, leginkább azokban az esetekben, ha ez nem jár szerkezeti tömörüléssel és szilárdulással.
Például a hidrotermás kovásodás hatására zeolit vagy agyagásványok (montmorillonit) képződése is történik, miközben amorf szilikátos mátrix őrződik meg vagy keletkezik. Amennyiben az átalakulás hatására nem a kvarc mennyisége nőtt meg, hanem szilikátos ásványok képződtek, így a kőzet önmagában egy komplex ásványi trágya, amely ionforrás mellett az ion- és vízháztartásban is aktívan részt tud venni.
Ásványi források
A biológiailag elérhető Si legjobb forrásai azok az ásványok, amelyek hidrolízissel lassan bomlanak le, miközben nem keletkezik szilikátos reakciótermék. A csillámokban, piroxénekben és amfibolokban gazdag kőzetek ezért tudnak jó talajképző kőzetekként szerepelni, mert a többlépcsős mállás során mindig oldódik ki fölös szilikát, miközben a képződő agyagásványok és amorf szilikátos gél további szilikátkioldódást tesz lehetővé. Az allofán és imogolit, amelyek a vízmegtartás, kationforgalom és talajkolloid-stabilitás esetében is elsődleges szerepet játszanak, a Si-forgalom tekintetében is elsődlegesek lesznek. A nanoszemcsés formának köszönhetően könnyen képződnek, és a baktériumok, gombafonalak sejtjeivel kapcsolatba kerülve könnyen adnak le szilikátanionokat.
A talajoldat szerves savjainak jelenlétében való oldhatóságukat tekintve a kristályos SiO2-ásványok (pl. kvarc) <1 mg/liter mennyiségben, míg a szilikátok 2–4 mg/liter (Ca-földpátok és K-földpátok) vagy akár 7–9 mg/l (piroxének, amfibolok) mennyiségben adhatnak le kovasavképző szilikátot. A talajoldatok oldott Si-tartalma széles skálán változik, és nagymértékben függ a pH-tartománytól, bázikusba tolódó kémhatásnál a 40–90 mg/l tartalom a jellemző. Felvehető formái a szervetlen mono- és poliszikátsavak, szerves – humin- – molekulákkal alkotott komplexek.
Akkumuláció a biomasszában
A növényi biomasszában történő akkumuláció három szinten figyelhető meg: sejtközi szerves komponensek, sejtfalakban szerves molekulák alkotójaként és szilárd, szervetlen kristályos formában a sejtközi térben. A sejtfalakban és sejtközi térben történő kiválás a növényi szerkezet vázának erősítéséért felelős, főleg a szárban és levelek erezetében történő kiválás. A kalászosok maghéjában jelentős mértékű felhalmozódás ismert, a rizsfélék pelyvájának hamuját az építőiparban különleges cementadalékként alkalmazzák a reaktív amorf SiO2-tartalma miatt.
A termőréteg Si-háztartását, mint a Mg, P, S stb. esetében is, jelentős mértékben javítja a visszamaradt bio massza, amely – kivéve a SiO2 mineralizált kiválásait – feldolgozott, biológiailag aktív formában hordozza a szükséges szilíciumot. A mesterséges Si-tápanyagok nem tudják kiváltani a gyökérzet által „kibányászott” és felvett Si-ot, de a forrást pótolni, és a felvehető mennyiség növelésével a biológiai folyamatokat serkenteni tudják. Szerves oldat formájában a levéltrágyázás jól működő alternatíva számos növényfaj esetében, a hámréteg felületén a sejtközi szerves oldatok a szubmikronos szilikátszemcséket is oldani tudják. Gyakran a légzőnyílások stabil szerkezete igényli a Si-dúsulást, így a levéltrágyázás egyszerre segít a biológiai szerkezetek és folyamatok fejlődésében, illetve juttat szükséges tápanyagot a levélerezet, rostok erősítéséhez.
Dr. Kristály Ferenc
Miskolci Egyetem
