Cacao - IPNI - Northern Latin America

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
Http://nla.ipni.net
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
<2
1
1
Range
2 ‐ 3
‐
1 ‐2
< 1 ‐ 2
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)
mg Cd/kg P2O5
mg Cd/kg ( producto
con 45% P2O5 )
Washington (US)
889
400
Oregon (US)
338
152
California (US)
180
81
Australia
13
59
Canada
889
400
Austria
120
54
Bégica
90
40
Finlandia
21.5
9.7
Suecia
43.7
19.7
País
UE Propone límites para Cd fertilizantes P
(European Commission 2004,Van Balkan 2004)
mg Cd/kg P 2O5
20
40
60
mg Cd/kg (
producto con 45% P 2O5)
9
18
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!!
www.ipni.net
nla.ipni.net
Mejores cultivos, mejor ambiente….. A través de la ciencia