Metales Pesados en Plantaciones: Antecedentes y Manejo Raúl Jaramillo Director para el Norte de Latino América [email protected] http://nla.ipni.net

El IPNI

(International Plant Nutrition Institute) • Conocido anteriormente como el INPOFOS (PPI), fundado en 1935. • MISIÓN: – Fomentar el desarrollo y difusión de la información científica acerca del manejo responsable de la nutrición de los cultivos para el beneficio de la familia humana.

• Recursos provenientes de 18 compañías y 7 organizaciones afiliadas • ESTRATEGIA: – Oficinas regionales para las Américas (7), Asia (6), Este de Europa, Australia y África. – Grupos de trabajo en áreas como la eficiencia del uso de nutrientes, el manejo espacial de la fertilidad del suelo, el impacto del uso de nutrientes en el medio ambiente y otros.

La Oficina del Norte de Latino América

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Resumen • Antecedentes de la bio-disponibilidad de elementos nutritivos y elementos tóxicos. • Causas y caminos de contaminación con metales pesados. • Estrategias preventivas y correctivas para el manejo de metales pesados en plantaciones • Cadmio en fertilizantes fosfatados

Fisiología de la nutrición mineral de cultivos • Todas las plantas absorben nutrientes en forma mineral • Los macroelementos tiene funciones estructurales o controlan el equilibrio osmótico: N,P, K, Mg, Ca y S. • Los micronutrientes son constituyentes de enzimas y por tanto esenciales en pequeñas cantidades: Cl, B, Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Mo. • Otros pueden ser “benéficos”: Na, Si, Co, I, V • Existen elementos que directamente son tóxicos y perjudiciales, aunque el grado de sensibilidad puede variar. Ejemplo Cd, Pb, Hg, As

Concentración aproximada o rangos Elemento Macro nutrientes

Deficiente

Suficiente o normal

---------------

%

Excesivo o toxico

------------------

Nitrógeno, N

< 2.50

2.50-4.50

> 6.00

Fósforo, P

< 0.15

0.20-0.75

> 1.00

Potasio, K

< 1.00

1.50-5.50

> 6.00

Calcio, Ca

< 0.50

1.00-4.00

> 5.00

Magnesio, Mg

< 0.20

0.25-1.00

> 1.50

Azufre, S

< 0.20

0.25-1.00

> 3.00

Micronutrientes

-----------------------

ppm

-------------

Boro, B

5-30

10-200

50-200

Cloro, Cl

< 100

100-500

500-1000

Cobre, Cu

2-5

5-30

20-100

Hierro, Fe

< 50

100-500

> 500

Manganeso, Mg

15-25

20-300

300-500

Molibdeno, Mo

0.03-0.15

0.1-2.0

> 100

Zinc, Zn

10-20

27-100

100-400

Tomado de Rojas, 2001

Fisiología de la nutrición mineral de cultivos • La mayor parte de los nutrientes ingresan por las raíces, pero ocasionalmente, sobre todo en el caso de elementos tomados en muy bajas cantidades el ingreso vía foliar es importante. • Las plantas son altamente selectivas en la toma de nutrientes. • Sin embargo la selectividad no es completa y se puede dar el ingreso de elementos de una forma pasiva, no controlada.

Anatomía de una raíz - Selectividad

Banda de Casparian

Transporte activo y pasivo

Ruta a través del apoplasto

Célula Endoderma

Ruta a través del simplasto

Banda de Casparian Membrana Ruta Apoplástica

Ruta Simplástica

Vasos (xilema)

Pelo radical Epidermis

Endodermis Cortex

Estela (cilindro vascular)

Qué son los “metales pesados”? • La literatura sobre nutrición vegetal habla inicialmente de “elementos traza”  es decir, concentraciones muy bajas (< 1 g kg-1). • Posteriormente se ha intentado clasificar los micronutrientes y los elementos tóxicos con varios criterios (no siempre exitosamente). • Un “metal pesado” es aquel elemento de alta densidad y con la capacidad de reemplazar o desplazar otros elementos inhibiendo su funcionamiento.

Acumulación en la cadena alimenticia

• Los metales pesados tienen una elevada remanencia y se acumulan en la cadena alimenticia. • Desde hace algunos años se habla de problemas relacionados con la salud en distintos aspectos: • Plomo (Pb), afectación de la capacidad intelectual y desarrollo en neo-natos; Cadmio (Cd), daño renal; Arsénico (As) y Mercurio (Hg), cáncer y numerosas afectaciones nerviosas

Cadmio como metal pesado “bandera” • El consumo promedio para no-fumadores es de 10-25 µg Cd por día, pero ha ido declinando en los últimos 30 años • El rango tolerable de la WHO es de 7 µg Cd por kg de peso corporal por semana, es decir, 60-70 µg Cd por día para una persona. • Los fumadores toman 1.7 µg Cd por tabaco, de lo cual un 10% se asimila directamente

Cadmio y otros MPs en los cultivos • El cadmio puede afectar el desarrollo del cultivo en concentraciones elevadas, por encima de 100 ppm. • El síntoma es el aparecimiento de deficiencias de hierro. • Otros MPs afectan el estrés oxidativo (luz excesiva)

Qué son los “metales pesados”? • Algunos metales pesados pueden ser micronutrientes y no tener un comportamiento tóxico, a menos que su concentración sea excesiva. • Pero cómo definimos una concentración “excesiva”, y que factores pueden afectar este valor?

Qué son los “metales pesados”? • Los factores más importantes que regulan la disponibilidad de nutrientes también influencian la toxicidad de los MP. • La acidez (pH), la textura del suelo, la profundidad de enraizamiento del cultivo. • La presencia de contaminación es fundamentalmente el problema.

La acidez es el principal factor controlador

Diagrama de solubilidad de Lindsay Fe-Al-P

• La reacción de los elementos en el suelo está fuertemente influenciada por el balance eléctrico y los protones. Solubilidad de fosfatos minerales de Ca, Al y Fe en el suelo. Fuente: (Lindsay, 1979, Chemical Equilibria in Soils, Wiley Interscience, p.181)

Imagen autoría Dr. L Prochnow

La acidez es el principal factor controlador

• En el caso de los MP varios casos son favorecidos por suelos ácidos

La textura y materia orgánica son determinantes

• En la Unión Europea se ha caracterizado concentraciones críticas más rigurosas a menor pH y menor contenido de materia orgánica. Fuente: De Vries et al 2007. Rev Environ Contam Toxicol 191:47–89

De donde provienen los metales pesados? • Los metales pesados existen en la naturaleza en concentraciones muy bajas (trazas) comúnmente. • La cantidad inicial en el suelo está influenciada por el material parental:

Fuente: Nagajyoti et al 2010. Environ Chemm Lette 8:199–216

De donde provienen los metales pesados? • Otras fuentes naturales incluyen las emanaciones volcánicas, el arrastre de agua marina, polvo (suelo erosionado), fuegos de vegetación. • En el caso del Cd las emanaciones volcánicas representan casi la mitad del total estimado movilizado a nivel global: 5 Mt (Pacyna, 1986). • El Mn, Pb y Zn son movilizados fundamentalmente por arrastre de polvo (425 Mt de Mn, probablemente asociado a materia orgánica erosionada)

Fuente: Nagajyoti et al 2010. Environ Chemm Lette 8:199–216

La actividad humana remueve y concentra los metales pesados • Las actividades de minería, siderúrgica y las industrias químicas (papel, pintura) con los fertilizantes son las principales fuentes de MPs a nivel global

Adaptado de: Nagajyoti et al 2010. Environ Chemm Lette 8:199–216

Mayor distancia de actividades industriales reduce la exposición a MP Urbano Industria

Suelo Virgen

Agricultura

• Al igual que con el plomo (Argentina) se manifiesta una tendencia clara entre centros urbanos/industria y contaminación de casi todos los MPs

Fuente: Marti et al 2011. Rev. Fac. Cienc. Agrar., Univ. Nac. Cuyo.43:.2

Regulaciones sobre contenido de MPs

• Los valores más altos permisibles son los del zinc y el plomo. En general los valores naturales de todos los MPs están muy por debajo de los valores regulatorios

Fuente: Wuana y Okeiment. ISRN Ecology. 2011. Article ID 402647

Estrategias de remediación

Fuente: Wuana y Okeiment. ISRN Ecology. 2011. Article ID 402647

Reducción de la toxicidad • Campo nuevo, continuos avances de investigación y conocimiento. • Fito-extracción  Procesos de tolerancia y acumulación reportado en al menos 400 especies, inclusive maíz y girasol entre los más comunes y algunas especies forestales. • El uso de agentes quelatantes puede favorecer la extracción de MPs por las plantas (aumentos marcados de extracción y removilización en Brassica juncea expuesta a plomo).

Brassica juncea (mostaza de la India) • La mostaza o rábano es una planta de distribución generalizada. • Puede modificar el ambiente del suelo aumentando la disponibilidad de varios elementos. • Soporta concentraciones relativamente altas de MPs • Tiene ciclo corto ( menos de 3 meses)

Reducción de la toxicidad • Asumiendo que un cultivo extractor puede cosecharse n veces al año y asumiendo que la contaminación ocurre en la zona de exploración de la raíces se puede estimar el valor removido al año.

Concentración aérea F Concentración suelo

M (ppm) = Concentración biomasa x Peso seco Reducción deseada x Masa del suelo tp = Concentración biomasa x Peso seco x n

Bio-materiales novedosos y estrategias de recuperación del suelo • Se está trabajando con numerosos compuestos con capacidad de fijación: – Alginatos (algas marinas) – Nano-compuestos (Dr. Nicola Seneci) – Residuos agrícolas – Viruta, fibra de coco – Aumento de materia orgánica efectiva (mayor y mejor capa arable) – Zeolita

Bio-materiales novedosos y estrategias de recuperación del suelo

•

Capacidad de fijación en fibra de coco y viruta

Metales pesados en fertilizantes y enmiendas

• Los fertilizantes fosfatados (producto de minería) son con frecuencia portadores de MPs. • Algunos pesticidas (“verdes” Caldo Bórdeles) poseen MPs • Las enmiendas orgánicas (abonos, estiércol) pueden acumular o remover MPs.

Contenido de Cadmio (mg kg-1) de roca fosfórica sedimentaria Depósito Marruecos Indistinto Bu Craa Khouribga Youssoufia USA Central Florida North Florida North Carolina Idaho

Cd promedio 26 38 15 23 9 6 38 92

Rango 10 ‐ 45 32 ‐ 43 3 ‐ 27 4 ‐ 51 3 ‐ 20 3 ‐ 10 20 ‐ 51 40 ‐ 150

Contenido de Cadmio (mg kg-1) de roca fosfórica ígnea

Depósito Brazil Araxa Catalao South Africa Phalaborwa Russia Kola

Cd Promedio 2