Ciclo del Silicio

Il ciclo del silicio

Il Viaggio del Silicio sulla Terra

Il silicio è uno degli elementi più abbondanti sul nostro pianeta e gioca un ruolo importante, anche se meno conosciuto di altri cicli come quello del carbonio. Il suo viaggio si svolge principalmente tra la terraferma e gli oceani, con un passaggio fondamentale attraverso alcuni abitanti del mare.

  1. Nascita dalle Rocce. Tutto inizia sulla terraferma. Il silicio si trova principalmente nelle rocce, dove è un componente fondamentale. L’acqua piovana, il vento e il tempo erodono lentamente queste rocce, in un processo chiamato “erosione chimica”. Durante questo processo, il silicio viene rilasciato dalle rocce nel terreno e nell’acqua.
  2. Viaggio verso il Mare: Una volta disciolto nel terreno, il silicio viene trasportato dalle acque sotterranee e dai fiumi, che agiscono come grandi autostrade, portandolo dalle terre emerse verso gli oceani.
  3. Vita negli Oceani: Una volta raggiunto il mare, il silicio viene utilizzato da piccolissimi organismi marini per costruire le loro strutture protettive, un po’ come un guscio. Questi organismi assorbono il silicio disciolto dall’acqua e lo trasformano in una forma solida.
  4. Ritorno al Fondo Marino: Quando questi organismi marini muoiono, le loro strutture ricche di silicio affondano verso il fondo dell’oceano. Lì, si depositano e, nel corso di milioni di anni, possono formare nuovi strati di roccia o sedimenti ricchi di silicio.
  5. Chiusura del ciclo: Una parte del silicio sepolto può essere rilasciata nuovamente nell’acqua di mare attraverso processi naturali, tornando così disponibile per un nuovo ciclo. Questo riciclo annuale del silicio è significativo. Un’altra parte è subdotto nella crosta profonda e rientra in superficie per risalita magmatica, vulcanismo silicico, neoformazione di rocce intrusive (graniti). Questo chiude i tempi lunghi del ciclo.

In sintesi, il silicio nasce dalle rocce sulla terraferma. Viene trasportato dai fiumi agli oceani. È usato da organismi marini per costruire le loro strutture. Ritorna al fondo marino quando questi organismi muoiono. Viene poi in parte riciclato in acqua o entra a far parte di nuove rocce. 

Questo è un ciclo lento, che si svolge su scale temporali molto lunghe, ma è fondamentale per la vita in molte parti degli oceani e per la geologia del nostro pianeta. 

Le attività umane possono influenzare questo ciclo, ad esempio tramite la costruzione di dighe o l’uso di fertilizzanti, che possono alterare il trasporto del silicio dai fiumi all’oceano.

Il ciclo del Silicio - Approfondimento

Il silicio (Si) è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre, ma il suo ciclo biogeochimico è sorprendentemente dinamico e svolge un ruolo fondamentale nel funzionamento degli ecosistemi terrestri e marini.

È un ciclo sedimentario, con tempi geologici molto lunghi, ma presenta anche una componente biologica rapida negli oceani e nei suoli.

Il ciclo del silicio è cruciale perché influenza la produttività primaria marina; interagisce con il ciclo del carbonio; partecipa alla formazione e all’alterazione dei minerali dei suoli; modula il sequestro di CO₂ nel tempo profondo.

Forme chimiche del silicio

In natura il silicio si trova principalmente come:

Biossido di silicio (SiO₂): quarzo, opale, silice colloidale; forma di deposito e di struttura per molte alghe e piante

Silicati: tetraedro SiO₄⁴⁻ come unità strutturale; minerali come feldspati, miche, pirosseni, anfiboli

Acido monosilicico (H₄SiO₄): forma biodisponibile, solubile e assimilabile da piante e organismi; fondamentale negli ecosistemi acquatici

 

Il ciclo geologico del silicio

Alterazione dei silicati – Processo chiave che libera silicio in forma solubile; silicati → (alterazione chimica) → H₄SiO₄ in soluzione; favorito da CO₂, acidi organici, attività microbica e radici; tipico della meteorizzazione chimica e biologica in suoli giovani o ricchi di materia organica.

Esaminiamo in dettaglio la meteorizzazione di un silicato di calcio (wollastonite, CaSiO₃) da parte della CO₂ atmosferica.

La meteorizzazione chimica delle rocce silicatiche consuma CO₂ perché avviene attraverso reazioni in cui:

  1. La CO₂ atmosferica si dissolve nell’acqua piovana, formando acido carbonico (H₂CO₃).
  2. Questo acido attacca i minerali silicatici, liberando ioni e acido silicico.
  3. La reazione complessiva rimuove permanentemente CO₂ dall’atmosfera, perché diventa:
  • prima bicarbonato (-HCO₃⁻) disciolto e trasportato ai fiumi,
  • e successivamente carbonato ( –CO₃⁻, calcite, aragonite) nei mari. Questi carbonati precipitano al fondo e nel tempo formano i sedimenti marini, rimuovendo CO₂ su scala geologica (milioni di anni).

In breve: la CO₂ atmosferica è consumata durante la meteorizzazione chimica per essere trasformata in carbonati nei mari e, infine, precipitare e venire sequestrata nei sedimenti.

E, per essere un pelo più tecnici, la reazione è la seguente:

CaSiO3 + 2 CO2 + 3 H2O → Ca2+ + 2 HCO3− + H4SiO4

dove:

  • Ca²⁺ → trasportato dai fiumi insieme a HCO₃⁻ (bicarbonato) → forma temporanea del carbonio rimosso dall’atmosfera;
  • H₄SiO₄ (acido silicico) → forma solubile del silicio, biodisponibile;
  • Il bicarbonato, arrivato in mare, precipita come CaCO₃ sempre considerando il bilancio complessivo su tempi lunghi.

La reazione complessiva del sequestro geologico avviene combinando la meteorizzazione con la precipitazione carbonatica. Questa è la formulaa “netta” che mostra come una mole di CO₂ venga consumata in modo permanente:

 CaSiO3 + CO2 → CaCO3 + SiO2

Trasporto fluviale – L’acido silicico liberato entra nei corsi d’acqua sia come silice disciolta (DSi, dissolved silica), sia come particolato (PSi: frustuli di diatomee, fitoliti, particelle minerali). I fiumi rappresentano la principale via di ingresso del silicio negli oceani.

 

Deposizione marina – Negli oceani il silicio viene utilizzato dagli organismi; precipita come silice biogenica; si accumula nei sedimenti profondi.

 

Diagenesi e ricircolo – Nei sedimenti una parte della silice biogenica si dissolve e ritorna in soluzione; una parte si trasforma in opale-A → opale-CT → quarzo nel tempo geologico

 

Subduzione e vulcanismo – Il silicio torna in circolo nella crosta profonda e rientra in superficie con risalita magmatica, vulcanismo silicico, neoformazione di rocce intrusive (graniti).

Questo chiude i tempi lunghi del ciclo.

 

Il ciclo biologico del silicio

Il silicio è essenziale per diversi taxa.

Fitoplancton silicificato

Diatomee – Principali consumatrici di silicio negli oceani. Producono frustuli di SiO₂ amorfo (opale-A). Controllano il flusso di carbonio verso le profondità: più silicio → più diatomee → più carbonio esportato nei sedimenti.

Radiolari e silicoflagellati – Partecipano al ciclo più lento, producendo scheletri silicei più robusti.

 

Piante terrestri

Fitoliti – Microscopiche particelle di silice amorfa depositate in: epidermide, tessuti parenchimatici, tricomi. Funzioni: protezione da erbivoria e patogeni, rinforzo meccanico, riduzione della perdita d’acqua, maggior resistenza a stress.

Le poaceae sono particolarmente ricche di fitoliti, ma anche gli equiseti e, in generale, i muschi e le felci.

Effetto feedback sul suolo – Le piante accelerano l’alterazione dei silicati grazie a acidi organici radicali, micorrize nelle ifosfere e cicli idrici intensi. Sono tutti fenomeni che rimettendo la silice biogenica nei suoli dopo la decomposizione.

 

Microbiologia del silicio – Batteri e funghi contribuiscono all’alterazione minerale; alghe e cianobatteri modulano la chimica dell’acqua dolce; biofilm silicizzanti facilitano precipitazioni locali.

 

Il ciclo del silicio negli oceani

Bilanci marini – Le principali riserve sono: sedimenti profondi (diatomee morte), acque silicee antartiche (alta disponibilità di DSi; Nelle profondità oceaniche (generalmente al di sotto di 1 km, estendendosi fino a 4-5 km e oltre), le concentrazioni di DSi sono significativamente più elevate. Questo accumulo è dovuto alla decomposizione della materia organica e alla dissoluzione dei gusci di diatomee che affondano dalle acque superficiali), correnti di risalita (upwelling) che riportano silicio in superficie.

Limitazione ecologica – Il silicio può essere un fattore limitante per la crescita delle diatomee, in concorrenza con nitrati, fosfati, ferro (nelle HNLC: High-Nutrient, Low-Chlorophyll = Alte concentrazioni di nutrienti, ma bassa clorofilla). Cosa significa?

Sono aree dell’oceano in cui nitrati e fosfati sono abbondanti, ma il fitoplancton non cresce quanto ci si aspetterebbe. Perché succede? Perché in queste zone manca un micronutriente essenziale: il ferro (Fe). Il ferro è necessario sia per la sintesi della clorofilla, sia per la fotosintesi, sia per la sintesi di enzimi della respirazione, essendo parte integrante degli enzimi e delle molecole di trasporto degli elettroni (come i citocromi), sia per il metabolismo dell’azoto, essendo un cofattore essenziale per diversi enzimi chiave nel metabolismo dell’azoto, inclusa la nitrato reduttasi (che riduce il nitrato a nitrito) e la nitrogenasi (nelle piante che fissano l’azoto in simbiosi con i batteri), rendendolo vitale per la conversione e l’assimilazione dell’azoto. Dove si trovano le HNLC? Le principali regioni HNLC sono Pacifico equatoriale, Pacifico subartico, Oceano Australe (Antartico). Perché sono importanti nel ciclo del silicio? Nelle zone HNLC il ferro limita la crescita delle diatomee, quindi anche se ci sono nitrati, fosfati e silicio, le diatomee non possono svilupparsi pienamente, questo altera la dinamica del ciclo del silicio e del carbonio.

Dinamica verticale – La silice biogenica prodotta risale e si dissolve nei primi 500–1000 m. Solo una piccola frazione arriva ai sedimenti profondi.

Il ciclo del silicio nei suoli: silice biogenica vs silice litogenica

Litogenica: proveniente da alterazione dei minerali primari.

Biogenica: fitoliti, spicole, frammenti vegetali silicificati. La silice biogenica è molto più reattiva, più facilmente solubilizzabile, più dinamica nel ciclo annuale o decennale.

Disponibilità per le piante

La concentrazione di acido monosilicico varia da 5–40 mg/L nei suoli ben drenati, valori minori in suoli torbosi o acidi

Effetti sulla fertilità – Il silicio aumenta la resistenza delle piante, la tolleranza a stress abiotici, e migliora la struttura dei suoli (interazione con ossidi di Fe e Al) favorendo la stabilità degli aggregati.

Il silicio e il ciclo del carbonio

Il ciclo del silicio è intimamente legato al C per due ragioni:

Weathering dei silicati – Il consumo di silicio dalla litosfera comporta il consumo di CO₂ atmosferica (importante su scala geologica).

Pompe biologiche marine – Le diatomee aumentano la produttività primaria, affondano rapidamente grazie ai frustuli pesanti, esportano carbonio nelle profondità.

Un oceano ricco di silicio → più diatomee → maggiore sequestro di carbonio.

Il termine “pompa biologica” deriva da due aspetti fondamentali del processo:
 
“Pompa” perché il processo agisce come una vera e propria pompa fisica, che sposta (pompa) attivamente il carbonio da un “serbatoio” (l’atmosfera e le acque superficiali) a un altro (le acque profonde e i sedimenti oceanici).
 
“Biologica” perché il motore principale dell’intero meccanismo è l’attività degli organismi viventi. Senza il fitoplancton che esegue la fotosintesi nelle acque superficiali e l’attività della rete trofica (zooplancton, batteri, ecc.), il trasferimento del carbonio nelle profondità non avverrebbe in modo efficiente.
 
In sintesi, l’attività biologica “pompa giù” la CO₂ dall’alto verso il basso, contro un gradiente naturale, mantenendo le concentrazioni di CO₂ superficiale più basse di quanto sarebbero altrimenti, e permettendo all’oceano di assorbirne di più dall’atmosfera.
 

Antropizzazione del ciclo del silicio

I cambiamenti climatici prodotti dall’uomo modificano la risalita (upwelling) e la disponibilità di nutrienti, alterano la competizione tra fitoplancton silicificato e non.

In agricoltura, l’asporto delle biomasse (es. poaceae) riduce il ritorno di fitoliti al terreno; le concimazioni azotate e le arature profonde alterano la disponibilità di silicio.

Le concimazioni azotate, in particolare con fertilizzanti come il solfato d’ammonio o l’urea, tendono ad acidificare il suolo (abbassare il pH) a seguito dei processi di nitrificazione batterica. L’acido silicico, la forma in cui il silicio è disponibile per l’assorbimento da parte delle piante, è più solubile e mobile a pH più elevati (alcalini). In condizioni di maggiore acidità, la solubilità del silicio diminuisce, portando a: 
  • formazione di complessi: il silicio può formare complessi meno solubili con ossidi di alluminio e ferro, rendendolo meno disponibile per le radici delle piante;
  • ridotto assorbimento: sebbene il silicio non sia considerato un nutriente essenziale per tutte le piante, per colture come il riso o la canna da zucchero è benefico e il suo assorbimento può essere ostacolato da un pH subottimale indotto dall’azoto. 
Le arature alterano la disponibilità di silicio principalmente attraverso la perturbazione della struttura del suolo e l’ossidazione della sostanza organica. L’aratura profonda rimescola gli strati del terreno, portando in superficie suoli più profondi che possono avere una diversa composizione minerale e un diverso stato di saturazione di silicio. L’aratura espone strati di terreno precedentemente anossici o con meno ossigeno all’aria, accelerando la decomposizione microbica della sostanza organica. Poiché il ciclo del silicio è strettamente legato al ciclo del carbonio e alla decomposizione delle piante che accumulano silicio (fitoliti), un’ossidazione accelerata può alterare temporaneamente il rilascio o la stabilizzazione del silicio nel suolo. Infine, l’aratura può distruggere gli aggregati del suolo che proteggono i minerali contenenti silicio dalla dissoluzione o che ne regolano il rilascio nel tempo, alterando i tassi di dilavamento e disponibilità. 
In entrambi i casi, queste pratiche modificano l’equilibrio chimico e biologico del suolo che regola la solubilità e il ciclo biogeochimico del silicio.
 

L’inquinamento modifica la biodiversità del fitoplancton, favorisce specie non-silicificate come i dinoflagellati e i cianobatteri, arrivando a provocare anche fenomeni di eutrofizzazione delle acque inquinate.

Le dighe e gli invasi intrappolano sedimenti e silice biogenica, riducendo il flusso di DSi verso gli oceani.

 

Schema riassuntivo del ciclo del silicio

Litosfera (silicati) → alterazione → acido silicico → piante & organismi → strutture silicee → decomposizione → solubilizzazione → trasporto fluviale → oceani → diatomee → sedimenti → diagenesi → risalita magmatica → litosfera

Ciclo bifasico:

  • biologico (veloce, anni–secoli)
  • geologico (lento, milioni di anni)

Conclusione

Il ciclo del silicio è un esempio perfetto di integrazione tra processi: geochimici, biologici, climatici, evolutivi.

È essenziale per comprendere la produttività marina, la fertilità dei suoli e i tempi profondi del ciclo del carbonio. Per un biologo, studiarlo significa capire come la vita e la geosfera si influenzino reciprocamente.