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Metales Pesados en Plantaciones:Antecedentes y Manejo
Raúl JaramilloDirector para el Norte de Latino Amé[email protected]://nla.ipni.net
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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.
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La Oficina del Norte de Latino América
Http://nla.ipni.net
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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
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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
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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
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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.
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Anatomía de una raíz - Selectividad
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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
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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.
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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
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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.
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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)
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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?
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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.
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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
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La acidez es el principal factor controlador
• En el caso de los MP varios casos son favorecidos por suelos ácidos
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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Estrategias de remediación
Fuente: Wuana y Okeiment. ISRN Ecology. 2011. Article ID 402647
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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).
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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)
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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
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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
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Bio-materiales novedosos y estrategias de recuperación del suelo
• Capacidad de fijación en fibra de coco y viruta
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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!!!
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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”.
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Gracias!!
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