Всем привет! Меня зовут Станислав Белов, по основному образованию я инженер-технолог химической технологии кристаллов. Увлекаюсь выращиванием растений довольно давно, начинал именно с пищевых растений защищённого грунта, в основном методами гидропоники. Постепенно увлечение растениями перешло из хобби в профессиональную сферу. Последние 10 лет я занимался разработкой и технологией производства удобрений в компании RasTea — первой отечественной компании, занимающейся выпуском удобрений и добавок для гидропоники. Сейчас я сооснователь проекта РизоТерра — кокосовые субстраты и удобрения для комнатных растений, а также декоративно-лиственных культур. Также раз в год вы можете меня встретить на курсе «Цветоводство защищенного грунта» в ботаническом саду МГУ с лекцией, посвященной практическому использованию гидропоники в декоративном растениеводстве.

Кремний для растений

Базовое растениеводство — не забывать поливать растения.

Продвинутое растениеводство — понимать, что растениям периодически нужны удобрения.

Опытное растениеводство — понимать потребности растений в конкретных элементах питания на разных жизненных циклах.

Чем сильнее мы погружаемся в растениеводство, тем чаще мы сталкиваемся с химическими терминами и законами. Если говорить о химии кремния, то это вопрос непростой, со звёздочкой. Кремний — второй по распространенности элемент в земной коре и очень схож по своим свойствам с углеродом. Это сходство приводит к размышлениям: а возможна ли жизнь, основанная не на углеродных цепочках, а на полимерах кремния? К сожалению, главным противником кремниевой жизни является кислород. Сжигая углеводсодержащие биополимеры, да и чистый углерод, мы в результате химической реакции получаем двуокись углерода (иногда моноокись) — вещество газообразное, но легко возвращается в цикл биологических химических реакций. Углекислый газ, растворяясь в воде, образует карбонаты и гидрокарбонаты различных металлов, делая его доступным для флоры и фауны. Да и сама флора научилась усваивать углекислоту и посредством фотосинтеза переплавлять её в углеводы (соединения углерода, водорода и кислорода). Простые углеводы (сахара) затем могут быть собраны в довольно устойчивые полисахариды, например целлюлозу. Достаточно устойчивыми, чтобы стать строительным материалом — древесиной, или, например, одеждой — хлопком. К несчастью, оксиды кремния — твердые соединения, не только нерастворимые в воде, но и в целом довольно инертные: например, кварц или стекло. Окисляясь до оксида, кремний выпадает из биологических процессов надолго. Соединения кремния и водорода — силаны — газообразны и обладают высокой реакционной способностью. К сожалению, слишком высокой: 21% кислорода в нашей атмосфере достаточно, чтобы силаны самовозгорались при контакте с воздухом.

Тем не менее содержание кремния в сухом остатке растений колеблется в диапазоне от 1 до 10%, а в злаках может доходить и до 15% сухого веса. Основные органы, в которых накапливается кремний, — это корни и листья, а конкретнее: кремний включается в клеточную стенку, межклеточные пространства корней и побегов, а также специализированные кремнеземные клетки. Окремнение в основном происходит в склеренхиме (своеобразный скелет жёсткости растений), волокнах, накопительных тканях, эпидермисе и сосудистых тканях. Геометрия расположения, количество кремния и его роль сильно различаются в зависимости от типа ткани.

Попадает кремний в растения в природе в основном через корневую систему, хотя мы можем производить и листовые подкормки, но об этом позже.

При поглощении корнями кремний концентрируется после пояска Каспари — специфической ткани корней, который блокирует движение растворов в межклеточном пространстве. Растворенные вещества движутся в растении двумя путями: симпластически — через цитоплазму клетки и каналы, соединяющие клетки друг с другом. Второй путь — апопластический: движение между клеточными стенками или, например, по сосудистым частям растений (ксилеме и флоэме). Из-за пояска Каспари вещества вынуждены проходить селективный отбор клетками корня, чтобы попасть внутрь растений. Пусть мы и не знаем механизм усвоения кремния растениями, мы можем сделать вывод, что этот процесс происходит целенаправленно.

Интересно, что дальнейшее распределение кремния в растении происходит под действием транспирации — по аналогии с кальцием. Концентрация кремния выше в наиболее активно испаряющих влагу частях растений — в листьях, конкретнее в тканях эпидермиса растения. В условиях повышенной влажности растения меньше транспирируют, что приводит к снижению транспорта воды к данным органам растений.

Важно учитывать: высокая влажность может привести не только к дефициту кальция, но и к механическому ослаблению растения, что делает листовые подкормки этими элементами важными в определённых условиях.

Удивительно, с какой скоростью кремний поступает в растение: при поливе субстрата дозой кремния в 0,5 мМ уже через 30 минут восходящий поток содержал 6 мМ кремния, через 9 часов — 18 мМ. Это также говорит о специальном поглощении кремния растениями, несмотря на градиент концентрации, который требует затрат энергии на поддержание.

Как кремний помогает растениям

Кремний — важный помощник растений в борьбе с биотическими стрессами. Накапливаясь во внешних тканях листьев, кремний образует соединения с лигнином, формируя более надёжный механический барьер против патогенов различной природы. Кремний также затрудняет прохождение в растения специфических молекул-эффекторов, которые выделяются патогенами для разрушения клеточных стенок. Помимо механической защиты кремний влияет на выработку фитоалексинов и фенольных соединений, помогающих растению бороться с уже развивающейся инфекцией. В статье от 1994 года было показано, что кремний в корнях растений помогает бороться с заболеваниями типа Pythium, активируя фермент хитиназу — разрушающую клеточную стенку грибов. Таким образом, кремний для иммунитета растений — это не просто маркетинговый образ, а реальная физиологическая функция: он одновременно усиливает механический барьер и запускает биохимическую защиту.

Кремний работает не только на микроуровне: даже некоторые насекомые-вредители будут чувствовать себя не так уютно на растениях, укреплённых кремнием. Полевой хвощ зашёл в этом настолько далеко, что кристаллы соединений кремния в его тканях могут навредить даже крупным животным при поедании. Также стоит отметить, что растения стягивают кремний в том числе и к трихомам, которые иногда имеют вполне оборонительные функции.

Что касается абиотических стрессов, то тут арсенал у кремния не хуже. Например, при засухах кремний снижает концентрацию окисляющих радикалов в растениях, позволяя растениям быстрее восстанавливаться после засухи. Накапливаясь за поясками Каспари, кремний усиливает защиту растения от проникновения таких подвижных элементов, как натрий. А в случае с алюминием кремний помогает корням вырабатывать специфические хелаторы, связывающие ионы этого металла ещё до того, как они смогут попасть внутрь. Всё это делает кремний против стресса у растений универсальным инструментом: он работает и при недостатке влаги, и при избытке токсичных металлов, и при атаке патогенов.

Польза кремния для растений огромна!

Какой видимый эффект вы получите, применяя кремний для своих растений?

Если вы только начинаете заниматься растениями, на первый взгляд может показаться, что ничего не происходит. Так и должно быть: дефицит кремния не проявляется в виде хлорозов или сброшенных корней. Кремниевые удобрения комнатные растения получают реже, чем профессиональные тепличные культуры, однако при регулярном внесении вы защитите растения от нестабильностей домашнего климата. Устойчивость к стрессам также влияет на скорость укоренения черенков после срезки — то есть на то, насколько быстро растение может восстановиться и регенерировать. Также отмечу, что кремний особенно сильно влияет на однодольные растения, например на злаки: они рекордсмены по отзывчивости на препараты кремния. Однако двудольные также имеют специфический ген, отвечающий за усвоение кремния. Ещё одна группа растений, активно накапливающая кремний, — это папоротники. Если вы обожаете эти диковинные растения, учтите это в вашем арсенале удобрений и добавок.

Химия силикатов в растворах

Основная растворимая форма соединений кремния — это силикаты щелочных металлов: лития, натрия и калия. Силикатами называют соли кремниевой кислоты. Причём кремний способен образовывать несколько кислот с разными свойствами. Например, понятие «монокремниевая кислота» объединяет в себе несколько кислот с одним атомом кремния в молекуле — метакремниевую и ортокремниевую. Последняя как раз и является основным компонентом для производства кремниевых удобрений. Кроме монокремниевой кислоты есть ещё ряд поликремниевых кислот, но мы их не будем рассматривать как источник кремния для растений.

Итак, перед нами ортокремниевая кислота. Давайте познакомимся с ней поближе. В чистом виде это сухое вещество и очень слабо растворима в воде (порядка 0,06 г/л воды). В агрохимии это не редкий случай: многие органические кислоты также плохо растворимы в воде, например гуминовая или индолилуксусная.

Ортокремниевая кислота — четырёхосновная: буквально у неё есть 4 точки для прикрепления других соединений. Упомянутые щелочные металлы для прикрепления к кислоте требуют 1 место. Двухвалентные металлы типа кальция и магния требуют 2 точки для прикрепления, и так далее.

По итогу наша кислота может образовывать ряд соединений: от частичного замещения на 1 атом калия до полного — в 4 атома. В форме соли ортокремниевая кислота очень хорошо растворима в воде.

В промышленной химии есть такое понятие — силикатный модуль: это отношение массовой доли кремния к калию в форме оксидов в полученном силикатном растворе или, например, стекле.

Кстати, а почему именно калий используют как компонент в кремниевых удобрениях? Ответ прост: другие соединения для растения или просто токсичны (литий, натрий), или нерастворимы. Побочным фактором объединения полезных калия и кремния в силикат является то, что у таких растворов, как правило, очень высокий pH — 9–10 единиц, и это накладывает определённый регламент на применение такого препарата для подкормки растений.

Как правильно применять кремний для растений

Как мы выяснили раньше, растворы силикатов довольно конфликтные и неприятные в работе. Именно поэтому мы не можем включить кремний в базовые удобрения для растений: кремнию нужен отдельный флакон. Это не маркетинг ради бутылочек, а законы химии. Благодаря хорошей растворимости мы можем получать очень концентрированные препараты кремния, а можем и более разбавленные. Определить это очень легко, даже не зная химию: если расход препарата порядка 2 мл на литр, то концентрация препарата низкая, но работать с таким препаратом удобно, даже когда вы хотите полить 1 единственное растение. Если расход измеряется в мл на 10 л, то препарат концентрированный и подойдёт тем, кто работает в больших масштабах.

Подкормку растений кремнием мы можем проводить поливом под корень и обработкой по листовой пластине.

Начнём с листовых обработок. Они менее эффективны, чем корневое питание: это связано с тем, что растения могут иметь очень плотный эпидермис на поверхности листа, восковой слой, что затрудняет проникновение препарата в растение. Единственный путь в таких случаях — попасть в устьица на обратной поверхности листа. Сделать это можно в утренние часы при включении досветки и появления первых лучей солнца или сразу после заката естественного или искусственного, пока устьица ещё открыты.

Такие обработки не очень популярны, так как на декоративных листьях могут оставаться следы высохшего препарата, да и высокий pH может вызывать ожоги у нежных листиков.

В тепличных комплексах иногда используют силикаты и карбонаты калия с высоким pH для обработки плодовых однолетних растений, получая контролируемый ожог растений: перенаправляют энергию от погибающих листьев к плодам, помогая им созреть быстрее перед сбором урожая.

Полив под корень — самый эффективный способ подкормки растений кремниевыми препаратами. Однако при регулярном внесении также нужно учитывать высокий pH растворов силикатов для растений, что в целом справедливо и для стимуляторов на базе гуминовых кислот. Не важно, какой вы субстрат используете: для нормального усвоения питательных элементов почвенный раствор должен иметь слабокислую реакцию: для грунтов на основе торфа — в районе 6,5, кокосовые субстраты — 6,0–6,5, минеральные субстраты, полугидро и гидропоника — 5,5. Даже для регулярных поливов водой или удобрениями этот параметр надо учитывать: против дефицитов питательных веществ — в перспективе, в случае с силикатами такие проблемы могут возникнуть довольно скоро. pH воды и питательных растворов обычно снижают минеральными кислотами или специальными средствами на их основе — препаратами pH Down, которые сейчас широко доступны. В случае, если мы хотим просто провести подкормку кремнием без удобрений, мы просто снижаем pH до желаемого уровня после внесения препарата с кремнием и поливаем растение. Оказавшись в кислой среде, кремниевая кислота постепенно начнёт выделяться из силиката, и когда концентрация превысит предельную растворимость, выпадать из раствора в виде лёгких белых хлопьев. Поэтому хранить такой готовый раствор не стоит: поливаем максимально быстро после приготовления.

Подкормку кремнием можно проводить и в комплексе с базовым питанием. В таком случае в первую очередь мы также добавляем кремний, затем наши базовые удобрения в обычной дозировке, а потом регулируем pH.

В финале, по логике, должен быть список тех препаратов, с которыми кремниевые удобрения вступают в конфликт в рабочем растворе. Список очень короткий: кремний конфликтует практически со всеми препаратами. Поэтому не нагружайте питательный раствор обилием стимуляторов и добавок: минеральное базовое питание мы исключить не можем, а всё остальное может подождать.

Неужели на данный момент нет более эффективных и удобных подкормок растений, чем соединения монокремниевой кислоты? 

Одним из логичных направлений были кремнийорганические соединения разной структуры: кремний вплетался в органическую молекулу по соседству с углеродом, повышалась устойчивость к кислому pH, но доступность кремния снижалась из-за прочных связей в органической молекуле. Поэтому это направление не получило особого развития. Зато на базе кремнийорганических соединений были получены суперсмачиватели для листьев, которые повышают эффективность листовых обработок.

Однако, возможно, дело не в самой кислоте, а в форме её подачи? Силикаты широко применяются во многих сферах человеческой деятельности, начиная от силикатного клея (на основе силиката натрия) и заканчивая спец растворами для укрепления бетона (силикат лития). Их производят в промышленных масштабах, и это самый простой и доступный источник кремния для растений. Но время и наука не стоят на месте: как я писал выше, ортокремниевая кислота имеет 4 точки для соединения с другими веществами, и если правильно подобрать реагент, можно получить соединение, в котором кремниевая кислота, не поменяв структуру, становится окружена облаком из гидрофильных соединений, которые буквально отталкивают воду, и такая молекула становится меньше подвержена взаимодействию с другими удобрениями. В проекте РизоТерра нам удалось получить такое соединение, которое легло в основу нашего препарата ЭликСил. При попадании в воду наша монокремниевая кислота не взаимодействует с раствором сразу: сперва происходит процесс гидролиза внешней оболочки (буквально разрушение под действием воды), и только потом — высвобождение кремниевой кислоты, которую растение может усвоить. Подробнее об этом вы можете прочитать у нас в Telegram-канале.

Если вы дочитали до этого места, то уже понимаете: кремний — это не просто очередной флакончик с NPK или гуматом, который можно бесконечно добавлять в воду. Для правильного и успешного применения нужно понимать как и она себя ведет в растворе, что я надеюсь смог отобразить в этой статье. Кремний несомненно один из важнейших стимуляторов, который есть в каждой линейке удобрений. Вы не увидете ВАУ эфекта, скорее это фундаментальная страховка для растения. Без него растение выживет, но с ним оно будет жить крепче, переносить стрессы спокойнее и меньше болеть от тех невзгод открытого и защищенного грунта которые случаются регулярно..

Он не заменит свет, воду и базовое питание, но сделает их работу эффективнее. 

Спасибо за ваше внимание!