Кремний в живой природе

Урожайность и качество сельскохозяйственных культур зависит от многих факторов и элементов питания и одним из них является кремний. 

В последние десятилетия ХХ века доказано, что кремний, также как и кислород, углерод, азот, водород, фосфор и кальций, относится к числу основных элементов Жизни.

Самым распространенным элементом в земной коре является кислород. Оценки содержания кислорода в земной коре геохимиками изменяются в пределах от 47 до 50 мас. %. Кремний (элемент № 14) занимает второе после кислорода место. Те же оценки его содержания в земной коре изменяются в пределах от 27.7 до 29.5 мас. %. Третьим является кальций — его содержание в земной коре равно 2.96 мас. %. Содержание других упоминавшихся элементов Жизни в земной коре значительно меньше: водород 0.15-1.00; углерод — 0.19; фосфор 0.0985-0.093; азот — 0.04 мас. %.

В свободном состоянии кремний в природе не встречается. Чаще всего он входит в состав аморфного и кристаллического диоксида кремния, многочисленных по номенклатуре и по распространенности в природе силикатов. Углерод — основа органического мира. Кремний играет ту же роль в минералах и в горных породах, которые на 97 % состоят из природных силикатов. Некоторое количество кремния входит и в состав живых организмов. Есть он в количестве от 0.001 до 0.01 мас. % и в теле человека. Кожа человека обязана ему в какой-то мере упругостью, волосы блеском, зубы твёрдостью, а кости — крепостью. Кремний — это элемент, который стимулирует активность и жизнелюбие.

КРЕМНИЙ В ОРГАНИЗМАХ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ

Кремний относится к числу элементов Жизни, без которых ни один живой организм не может обходиться. В последние десятилетия доказано, что функции его в организме (и вообще в живой природе) весьма разнообразны. В организмах человека и животных он помогает строить кости, инициирует и ускоряет процессы их минерализации кальцием, отвечает за их прочность и за срастание при переломах. В последнем случае организм увеличивает содержание кремния в срастающихся костях в 50 раз по сравнению с обычным состоянием. Как только кости срастутся, уровень содержания кремния в костях приходит в норму. Кремний участвует в процессе формирования соединительной ткани, которая выполняет опорную и защитную функции в организме. Особенно важен кремний для построения и функционирования кровеносных сосудов, где он включается в состав эластина  материала, определяющего их прочность, эластичность и проницаемость. Понижение содержания кремния в стенках кровеносных сосудов с возрастом приводит к их хрупкости и как следствие - к атеросклерозу

Дефицит кремния в организме проявляется болезнями кожи, выпадением волос, расслоением ногтей, медленным заживлением ран и переломов. Восполнить недостаток кремния в организме можно, принимая лекарственные препараты. Но намного более полезными и намного более эффективными являются натуральные препараты кремния растительного происхождения. Кремний содержится во всех пищевых продуктах растительного происхождения, в том числе, в виноградном соке, вине и пиве. Особенно много его в лузге зёрен риса, овса и проса. Не полированный рис, овёс, ячмень, цельная пшеница, соя, свекла, репа, брюссельская капуста, изюм, зелёные бобы, топинамбур, экстракты дикорастущих растений (хвоща полевого, крапивы, мать-и-мачехи, спорыша) обязательно должны присутствовать в рационе больных туберкулёзом, артритом, атеросклерозом, диабетом, гипертонией, язвой желудка, катаром верхних дыхательных путей.

В организме человека и животных кремний присутствует в трех основных фоормах: водо- и олеорастворимой, а таюке в нерастворимой форме (кремнепротеиновые камни почек и желчного пузыря).

Среди упомянутых и других элементов периодической системы у кремния особая роль: он — пьезоэлемент. Он может превращать один вид энергии в другой: механическую в электрическую, световую в тепловую и т.д. Именно кремний лежит в основе энергоинформационного обмена в космосе, на Земле и в живой природе. При этом он играет важнейшую роль в жизни. Эта его функция только начала проясняться. При недостатке кремния организм быстро стареет. От кремния зависит красота и здоровый вид волос, ногтей, кожи. Такие проблемы как преждевременное старение, атеросклероз, дерматиты, анемии, гепатит, диабет, варикоз и другие связаны либо с недостатком кремния, либо с нарушением его обмена. Выражение, что «из человека песок сыплется», имеет биохимический смысл — организм теряет кремний.

На бескремниевой диете человек и животные отстают в росте, у них ухудшается состояние шерсти и костей. Добавление Si в их пищевой рацион приводит к устранению указанных нарушений, обеспечивает ускоренный рост молодых костей, способствует кальцификации и сшиванию поврежденных костных тканей. Оптимальное усваивание кремния взрослыми людьми изменяется в пределах от 20 до 50 мг в сутки.

Рассматривая биологическое значение кремния, следует сказать о создании кремниевых аналогов лекарственных и косметических препаратов, а таюке удобрений путем введения кремния в существующие препараты.

КРЕМНИЙ В РАСТЕНИЯХ

Не меньшую роль играет кремний и в живом растительном мире. Главная его роль в растительном мире состоит в том, что он обеспечивает эластичность, устойчивость к полеганию и прочность к излому стеблей злаковых и других растений. В большем или меньшем количестве кремний содержится в листьях, ветвях, стволах, корнях и плодах всех видов растений, водорослей и микроорганизмов. Рекордсменами по содержанию кремния среди наземных растений являются древнейшие из них — споровые хвощи. Среди наземных растений много кремния накапливают злаковые (например, рис, овес) и масличные конопля) растения, а также топинамбур, медуница, осоки. Топинамбур содержит до 8.0 мас. % диоксида кремния. В сухом веществе хвоща полевого содержится 9.0, а в золе — 96 мас. % диоксида кремния. В связи с этим почва должна содержать соединения Отсутствие кремния в почве делает ее бесплодной. Такая почва не аккумулировать энергию Солнца и передавать ее растущим растениям.

Особенно ярко это проявляется в случае риса. Обеспеченность кремнием полей ускоряет рост растений, повышает механическую прочность их тканей и этому устойчивость к полеганию, увеличивает накопление сухого вещества, повышает эффективность фотосинтеза и активность корневой системы. В сухой соломе устойчивых к полеганию сортов риса содержится до 10 мас. % кремнезёма, тогда как в соломе стандартных сортов содержание кремнезёма не превышает 5-6 мас. %. Недостаток в почве усваиваемого рисом кремния замедляет рост этих растений, делает их чувствительными к грибковым и бактериальным заболеваниям, понижает урожай. При полном исключении кремния из питательной среды блокируется синтез белка, хлорофилла и липидов, рис не плодоносит и растения часто отмирают.

Экстракты и настои кремнийсодержащих растений используются как лекарственные препараты


КРЕМНИЙ В ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЯХ И В ДИАТОМИТАХ

С самого начала в эволюции (включая этап зарождения) живой природы на Земле огромную всё возрастающую роль играют цепи взаимопревращений живых и минеральных форм материи. одну из таких цепей образует круговорот кремния, который, как и кругооборот углерода, имеет огромные масштабы. Ключевую роль в нем играют диатомовые водоросли (Bacillariophyta), являющиеся широко распространенными представителями растительного мира. На их долю приходится более 95 %, участвующего в био-минеральном круговороте кремния. Диатомовые водоросли представляют собой особую группу одноклеточных организмов сильно отличающуюся от остальных водорослей. Клетки всех видов диатомовых водорослей снаружи окружены ажурной, но чрезвычайно прочной двухстворчатой (в виде коробочки) дырчатой оболочкой-панцирем из кремнезёма (диоксида кремния). Размеры и толщина стенок панциря у разных видов диатомовьгх водорослей (продолговатые тельца) изменяется в широких пределах (от нано- до микронных, но не более 20 мкм, значений). Общая биомасса живущих диатомовых водорослей огромна, а видовой состав разнообразен. В настоящее время описано около 30 тысяч видов диатомовых водорослей. В различных водоёмах они распространены повсеместно. Обнаружены диатомовые водоросли даже у нас в крови. Масса кремнезёмного панциря (SiО2•n Н2О) диатомовых водорослей достигает 19 %. При такой массе защитного кремнеземного панциря диатомиям нельзя не утонуть. Диатомовые водоросли при отмирании тонут и на дне океанов, морей и озёр образуют мощные отложения диоксида кремния в виде биогенных илов и диатомитов.

В Большой Советской Энциклопедии сказано, что диатомит это «осадочная горная порода, состоящая преимущественно из раковинок диатомовых водорослей; обычно рыхлая или слабо сцементированная, белого, светло-серого или желтоватого цвета». Объёмная масса диатомитов изменяется в пределах от 300 до 700 кг/м3 . Количество панцирей диатомовых водорослей достигает 30 млн. штук в одном смз диатомита. Твёрдость диатомового скелета изменяется в пределах 4.5-5.0 единиц по шкале Мооса, а удельная масса от 1.95 до 2.3 г/смз. Размер панцирей диатомовых водорослей изменяется в пределах от 0.005-0.01 до 0.1-0.2 мм. Максимальная прочность диатомитов на сжатие 30-35 кг/смз . Удельная поверхность природного диатомита равна 20-30 м2/г.

Диатомит бывает как морского, так и пресноводного происхождения. Крупнейшие по запасам месторождения диатомитов образованы морскими отложениями. Диатомиты озёрного происхождения отличаются более высокой чистотой. Месторождения диатомитов обнаружены во многих странах и почти во всех регионах России: Кисатибское (Грузия), Джрадзорское, Сисианское, Воротанское (Армения), Ломпок (США), Нилгата (Япония), Примо-Гранде (Алжир), Альбасете (Испания); Лапландское, Камышловское, Инзенское, Ирбитское, Атемарское, Шарловское, Сахалинское (Россия). Среди залежей аморфного диоксида кремния наиболее известно месторождение диатомита в Калифорнии в виде огромной белой горы, которая образовалась из отложений диатомовых водорослей. Самыми крупными месторождениями диатомитов в мире являются месторождения Тюменьской области. Предварительные оценки свидетельствуют о том, что в Тюменьской области имеется 500 триллионов кубометров диатомитов. Обнаружено свыше 1000 выходов этого ценного материала на поверхность, где его можно добывать открытым способом. Самые богатые месторождения расположены возле Уренгоя и Медвежьего, затем в Берёзовском районе, а также около Шаима.

Представленные выше свойства и характеристики диатомитов обеспечивают возможность широкого использования их в различных областях промышленности.

Диатомиты используются в качестве наполнителей композиционных материалов, фильтрующих порошков, адсорбентов, носителей катализаторов, хрусталя, кварцевого стекла, кремния для микроэлектроники, тепло- и звукоизоляционных материалов и изделий, модификаторов при производстве сульфатостойкого, низкощелочного цемента для гидротехнических сооружений.

Успешное использование диатомита в производстве тепло-звукоизоляционных материалов определяется высокой термостойкостью, плохой теплопроводностью и низкой плотностью диатомита.


КРЕМНИЙ В РИСОВОЙ ШЕЛУХЕ И В КОСТРЕ ЛЬНА

Наибольший отходы интерес сельскохозяйственного производства: рисовая шелуха, костра тоннажные льна и кремнийсодержащие конопли. Среди упомянутых отходов сельскохозяйственного производства особо выделяется рисовая шелуха. Рисовая шелуха, защищающая зерно риса от повреждений, составляет около 20 мас. % от массы производимого неочищенного риса. Рисовая шелуха (отрубевая оболочка) отделяется от риса в процессе его очистки. В связи с тем, что рис по масштабу производства это является то, что третьим после кукурузы и пшеницы сельскохозяйственным продуктом, рисовая шелуха относится к числу много тоннажных возобновляемых биогенных отходов сельскохозяйственного производства. В 2006-ом году мировое производство основных сельскохозяйственных продуктов достигло 683.4 млн. тонн кукурузы, 617.6 млн. тонн пшеницы и 418,3 млн. тонн риса. Из этого следует, что мировое производство рисовой шелухи составляет 80-100 млн. тонн в год. Рисовая шелуха на 80 % состоит из

целлюлозы и лигнина и на 20 %  из аморфного диоксида кремния. Благодаря такому составу рисовая шелуха в исходном состоянии плохо горит; имеет более низкую теплотворную способность по сравнению с шелухой овса, гречихи и древесины практически не гниет; обладает высокой абразивностью при механической переработке.

Аморфный диоксид кремния из рисовой шелухи по всем показателям (удельная поверхность 270-370 м2/г, средний диаметр пор 50 А, средний объем пор 0.35 см3 /г) превосходит выпускающиеся в России и за рубежом порошки аморфного диоксида кремния.

Первыми на огромные потенциальные возможности утилизации рисовой шелухи обратили внимание ученые Института Химии Дальневосточного отделения РАН - они запатентовали «Способ получения аморфного диоксида кремния из рисовой шелухи», «Способ получения водорастворимых силикатов из золы рисовой шелухи», «Способ получения высокочистых аморфных диоксида кремния и углерода из рисовой шелухи», «Способ получения диоксида кремния из отходов производства риса и устройство для его осуществления», «Способ переработки кремнийсодержащего растительного сырья и установка для его осуществления». Близкими с рисовой шелухой составом и свойствами обладают волокна и костра льна и конопли.

 

М.Ш. Тагиров, директор ФГБНУ "ТатНИИСХ", академик АН РТ

горыпочва 

24.04.2017, 398 просмотров.