ケイ素 (Si) は、宇宙で 7 番目に豊富な元素であり、地球上のほぼすべての場所で見つけることができます。そのため、多くの生物が進化的に水和非晶質シリカ (SiO2·n H2O) と呼ばれるプロセスで。非晶質シリカ構造のよく知られた例は、珪藻の殻、いわゆるフラスチュールです。
あまり知られていないもう 1 つの例は、単細胞有核アメーバの殻です。多数の有核アメーバ分類群は、殻の構築に使用される単一のケイ質ビルディング ブロック (いわゆるイディオソーム) を合成します。
それらの起源によると、合成された生物起源のシリカ (BSi) 構造は、土壌中の微生物 (細菌、真菌)、植物 (植物)、原生生物 (珪藻、有茎アメーバ)、および動物 (海綿) の BSi プールを表します。両方のサイクルが地球規模で接続されているため、BSi プールは Si 循環に影響を与え、したがって炭素循環にも影響を与えることが確認されています。陸生生態系から水生生態系への溶存 Si フラックスは、海洋珪藻の繁殖を制御し (珪藻は有殻合成に Si を必要とするため)、光合成を介して大量の二酸化炭素を固定する能力があるため、気候変動に重要な影響を与えます。海洋のバイオマスの最大 54 % が珪藻です。 BSi 構造はケイ酸塩鉱物、つまり土壌中の非生物起源の Si 源と比較してはるかに溶解性が高いため、Si フラックスは BSi プールによって大幅に制御されます。
さらに、BSi は、土壌中で容易に利用できる、または植物が利用できる Si (すなわち、H4SiO4) の供給源として重要な役割を果たします。 Si は、植物に対する好ましい効果、すなわち、植物の成長の増加、および非生物的および生物的ストレスに対する耐性のために、米国植物食品管理当局者協会 (AAPFCO) によって植物にとって有益な物質として分類されています。植物で合成された珪質構造は植物石と呼ばれ、主に SiO2·n でできています。 H2O だけでなく、有機物や、アルミニウム、カルシウム、鉄、マンガン、リンなどのさまざまな元素も含まれています。植物の Si 含有量は、植物の種類によって、乾燥質量あたり約 0.1 ～ 10% の Si とかなり異なります。乾燥質量あたりの Si 含有量に基づいて、植物は次の 3 つのグループに分けることができます。
<オール>地殻の大部分 (>90 vol. %) は SiO2 とケイ酸塩で構成されていますが、植物が利用できる Si は、部分的に H4SiO4 のために土壌で制限されることがよくあります:
- 粘土鉱物の形成中に、比較的不動のアルミニウム (および、わずかながら鉄とマグネシウム) と反応します。そして
- 特に農業用土壌では、降雨と灌漑の機能として浸出されます。
さらに、リン酸塩と H4SiO4 は土壌中の同等の吸着部位をめぐって競合するため、リン酸塩の含有量は Si の利用可能性に影響を与えます。土地利用（林業、農業）の激化により、人間は地球規模で Si 循環に直接影響を与えています。これに関連して、特に収穫された作物による Si の輸出 (それらのほとんどは Si の蓄積源) と侵食速度の増加は、一般に農業用土壌での Si の損失 (=人為的脱珪) につながります。気候変動に加えて、世界人口の増加と資源の減少は、現代の農業にとって大きな課題の 1 つです。たとえば、畑作物の収穫は、年間最大 100 kg Si ha の Si 損失を引き起こします。地球規模では、全植物性 BSi の約 35% が、作物の Si 含有量とバイオマスが比較的高いため、畑作物によって合成されており、この割合は、今後数十年以内に農業生産の増加に伴い増加する予定です。
BSiプールが土壌中のSiフラックスと植物が利用可能なSi画分をどのように制御するかをより深く理解するには、BSi溶解速度論に関する情報が重要です。これは、植物石、珪藻殻または有核アメーバ殻などのBSi構造の物理化学的表面特性の影響を受けます。私たちの研究では、同僚のマーティンと私は、共焦点レーザー走査顕微鏡 (CLSM)、フーリエ変換赤外 (FTIR)、および拡散反射赤外フーリエ変換 (DRIFT) 分光法を使用して、生体シリカ構造の物理化学的表面特性を分析しました。
これらの微細構造の解析には、ミクロンスケールでも赤外分光法を適用できる顕微鏡と組み合わせたDRIFT分光計（いわゆるDRIFT顕微鏡）を使用しました。 CLSM と DRIFT 顕微鏡法の両方の利点は、(i) 測定を無傷のサンプルに直接適用できること、および (ii) 両方の方法が非破壊であるため (FTIR とは対照的に) 検査後に同じサンプルをさらなる分析に使用できることです。サンプルが細かく粉砕される分光法)。
私たちの研究では、（i）新鮮な（植物から直接抽出された）および老化したものの物理化学的表面特性の短期的な変化を検出するための分光（透過型FTIR、DRIFT顕微鏡）および顕微鏡（CLSM）技術の適合性を評価することを目的としました。 （土壌から抽出された）植物石、および（ii）珪藻殻、有核アメーバ殻、および植物石の物理化学的表面特性の違い。 (i) 物理化学的表面特性は BSi 起源 (植物または単細胞生物によって合成される BSi) に依存し、(ii) 物理化学的表面特性の年齢に関連した差異は比較的早く (すでに数年後に) 生じるという仮説を立てました。
私たちの仮説を検証するために、2005 年に人工的に作られた人工集水域 (「チキン クリーク」と呼ばれる) で土壌と植物のサンプルを採取しました。調査地であるチキン クリークでは、透過型 FTIR、ドリフト顕微鏡、および CLSM を組み合わせて、比較的若い (約 10 年) 土壌および植物サンプルを分析することができました。手元にある我々の結果は、一般に、分光学的および顕微鏡的技術が、(i) 植物石の物理化学的表面特性の短期的な変化 (古い植物石とは異なる新鮮な植物石) および (ii) 合成された BSi 間の違いの検出に適していることを示した。単細胞生物 (有核アメーバや珪藻など) や植物による。
DRIFT 顕微鏡法と CLSM は、透過型 FTIR の有望な代替手段であることがわかりました。これらの方法により、単一の植物石、有核アメーバの殻、珪藻殻などの選択された単一の BSi 構造の分析が可能になり、BSi の品質 (すなわち、BSi の年齢と起源) の詳細な評価が可能になるからです。土壌中。 BSi の認定と BSi プールの定量化をさまざまな平地および擾乱された陸上生物地球系で組み合わせることで、一般的な Si 循環における BSi プールの役割と、特にそれに対する人間の影響 (人為的脱珪) をよりよく理解できるようになります。
