Metales Pesados en Plantaciones:Antecedentes y Manejo

Raúl JaramilloDirector para el Norte de Latino Américarjaramillo@ipni.nethttp://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

Tomado de Rojas, 2001

--------------- % ------------------

Nitrógeno, N

Fósforo, P

Potasio, K

Calcio, Ca

Magnesio, Mg

Azufre, S

Macro nutrientes

----------------------- ppm -------------Micronutrientes

Boro, B

Cloro, Cl

Cobre, Cu

Hierro, Fe

Manganeso, Mg

Molibdeno, Mo

Zinc, Zn

< 2.50

< 0.15

< 1.00

< 0.50

< 0.20

< 0.20

Deficiente

5-30

< 100

2-5

< 50

0.03-0.15

15-25

10-20

2.50-4.50

0.20-0.75

1.50-5.50

1.00-4.00

0.25-1.00

0.25-1.00

Suficiente o normal

10-200

100-500

5-30

100-500

0.1-2.0

20-300

27-100

> 6.00

> 1.00

> 6.00

> 5.00

> 1.50

> 3.00

Excesivo o toxico

50-200

500-1000

20-100

> 500

> 100

300-500

100-400

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

Ruta a travésdel apoplasto

Banda de Casparian

Célula Endoderma

Banda de Casparian

MembranaRutaApoplástica

Peloradical

Epidermis

Cortex

Endodermis

Vasos(xilema)

Estela(cilindrovascular)

RutaSimplástica

Ruta a travésdel simplasto

Transporte activo y pasivo

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”

• Los fumadores toman 1.7 µg Cd por tabaco, de lo cual un 10% se asimila directamente

• 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.

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

Solubilidad de fosfatos minerales de Ca, Al y Fe en el suelo.Fuente: (Lindsay, 1979, Chemical Equilibria in Soils, Wiley Interscience, p.181)

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.

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

Fuente: De Vries et al 2007. Rev Environ Contam Toxicol 191:47–89

• En la Unión Europea se ha caracterizado concentraciones críticas más rigurosas a menor pH y menor contenido de materia orgánica.

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

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

IndustriaUrbano

Suelo Virgen

Agricultura

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

Regulaciones sobre contenido de MPs

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

• 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

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 nveces al año y asumiendo que la contaminación ocurre en la zona de exploración de la raíces se puede estimar el valor removido al año.

F Concentración aéreaConcentración suelo

M (ppm) = Concentración biomasa x Peso seco

tp = Reducción deseada x Masa del sueloConcentración 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 Cd promedio RangoMarruecos Indistinto 26 10 ‐ 45

Bu Craa 38 32 ‐ 43Khouribga 15 3 ‐ 27Youssoufia 23 4 ‐ 51

USA Central Florida 9 3 ‐ 20North Florida 6 3 ‐ 10North Carolina 38 20 ‐ 51Idaho 92 40 ‐ 150

Depósito Cd Promedio RangeBrazil Araxa 2 2 ‐ 3

Catalao <2 ‐South Africa Phalaborwa 1 1 ‐2Russia Kola 1 < 1 ‐ 2

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

Los factores que controlan la captura de Cd son complejos

• Estudios de invernadero han demostrado que la captura de Cd es mayor con fertilizante soluble y menor con RF a pesar de que la concentración de Cd sea similar

Limites para Cd en fertilizantes fosforados en varios países (Chaney 2012)

País mg Cd/kg P2O5mg Cd/kg ( producto

con 45% P2O5 )Washington (US) 889 400Oregon (US) 338 152California (US) 180 81Australia 13 59Canada 889 400Austria 120 54Bégica 90 40Finlandia 21.5 9.7Suecia 43.7 19.7

UE Propone límites para Cd fertilizantes P (European Commission 2004,Van Balkan 2004)

mg Cd/kg P2O5

mg Cd/kg (producto con 45% 

P2O5)20 940 1860 27

• Basado en un estudio de impacto, fertilizantes con ≤ 20 mg Cd kg‐1 P2O5 no deberían causar acumulación pero aquellos con valores mayores a 60 mg Cd kg‐1 P2O5 sí pueden presentar un riesgo

Conclusiones• La contaminación con MPs es un problema universal• Debe prevenirse en cultivos sensibles como Cacao,

evitando zonas contaminadas en primer lugar• Puede combatirse con distintas estrategias, por

ejemplo encalando y mejorando la capa arable• El uso de cultivos acumuladores puede remover

parte de los metales contaminantes.• El uso de roca fosfórica puede ser más

recomendable que fertilizante P soluble, use fertilizantes de empresas serias!!!

Conclusiones

• Se necesita investigación sobre este tema para el Ecuador.

• IPNI puede ser un socio estratégico para el gremio y un facilitador en el proceso.

• Los extensionistas deberían llevar solo conocimiento probado para los productores, este campo es complejo y es difícil hablar de “recetas”.

Gracias!!

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