IV Seminario: La biorremediación aplicada a los suelos tropicales

Aplicación de enmiendas al suelo para reducir la acumulación de cadmio (Cd) en alimentos

Julián Esteban López Correa

Ing. Ambiental. MSc. Ingeniería. Doctor (c) IngenieríaUniversidad de Medellín

Contenido① Problemática ② Exposición humana al Cd③ Dinámica del Cd en suelos④ Alternativas para disminuir la transferencia de Cd

desde el suelo a los alimentos – Enmiendas⑤ Conclusiones generales

Problemática

Incrementar en un 60% la producciónde alimentos para el año 2050

(FAO, 2017).

Suelos saludables Alimentos Disponibilidad

InocuidadSeguridad

alimentaria

60007200

9000

0

2000

4000

6000

8000

10000

1999 2014 2050Pobl

ació

n m

undi

al (m

illon

es)

Año

¿Seguridad alimentaria?

Arroz (Oryza sativa.)7,0 mg kg-1

Trigo (Triticumm spp.)2,0 mg kg-1

Hortalizas 0,2 – 2,0 mg kg-1

Cd0,2 mg kg-1 Cd

0,2 mg kg-1 Cd

0,1 - 0,2 mg kg-1 Cd

FAO/WHO(CODEX 2006)

(Rehman et al., 2017; Shi et al., 2015; Arguella; 2019)

Papa (Solanum tuberosum.)3,0 mg kg-1

0,2 mg kg-1 Cd

Cacao (Theobroma cacao.)2,5 mg kg-1 0,6 mg kg-1 Cd

Hematotóxico

Disruptor endocrino

Cancerígeno

Neurotóxico

Nefrotóxico

Genotóxico

Cd

(Waalkes, 2000; Godt Johannes et al., 2006)

Contaminantes Priorizados

Principal contaminante asociado a cáncer

(WHO, 2010)

¿Cómo nos exponemos al Cd?

Cd

Ingesta• Directa• Indirecta

Respiratorio

DérmicoRiesgo cáncer

CDI= 1X10-4 mg kg-1 d-1

(USEPA, 2012)

Suelo

Ganadería

Cereales, vegetales, tubérculos, otros

Alimento

Atmósfera

Exposición humana - Cd

Ingesta indirecta

90% exposición humana al Cd

(Clemens et al., 2013; Smolders and Mertens, 2013; Khalid et al., 2016)

Ingesta directa

Dérmico

Respiratoria

Ingesta indirecta

Cd Agua

6,00E-02

7,00E-02

2,50E-02

5,80E-02

1,00E-05

1,00E-02

2,00E-02

3,00E-02

4,00E-02

5,00E-02

6,00E-02

7,00E-02

8,00E-02

CDI (

mg

kg-1

d-1)

1,0E-04 mg kg-1 d-1

(CODEX, 2010; FAO, 2010; WHO, 2010; USEPA, 2012)

3) Bioacumulación

4) Biomagnificación

*Hojas*Frutos

CDIing= 1X10-4 mg kg-1 d-1

Riesgos a cáncer

Solución del suelo

2) Nutrición mineral de las plantas

c

Sólidos

1) Interacción suelo - Cadmio

Cd2+

Ca2+

Zn2+K+

(USEPA, 2012)

Biodisponibilidad

Dinámica Cd-suelo

(Smolders and Mertens, 2013; Marrugo-Negrete et al., 2017)

USA0,01 mg kg-1

0,56 mg kg-1Asia0,07 mg kg-1

10 mg kg-1

Europa0,05 mg kg-1

1,4 mg kg-1

Colombia0,05 mg kg-1

1,5 mg kg-1 Concentraciones de fondo / referencia

Concentraciones enriquecimiento

56

30

28

143

Prof

undi

dad

–Su

elo

(cm

)

(Adriano, 2001; Alloway, 2013)

Enriquecimiento

*Fuentes Material parental

Deposiciones atmosféricas

Transporte sedimentos Fertilizantes

Materia orgánica

1,00,9

0,4

0,8

0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Sedimentos Fertilizantes - N Materialpartículado

Enmiendas -Compost

Enmiendas -Encalantes

Cd (m

g /

kg)

74

25

13

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Biosólidos Roca fosfórica Fertilizantes - P

Cd (m

g/ k

g)

(Adriano, 2001)

¿Cd total? ¿Cd biodisponible?

Fracción de Cd en suelo que puede interactuar fácilmente con un sistema biológico

(Alloway, 2013)

Cd2+

Sólidos

Solución del suelo pH

SOM

Bases (ej. Ca2+, K+)

Arcillas

CIC

Concentración de Cd

Cd2+

Cd2+

Cd2+

K+

K+

Ca2+Zn2+

Interacción entre fase sólida - líquida

Al3+

Al3+

Cd2+

Cd2+

Zn2+Zn2+

( - )

(-)

(-)

(-)

(-)

(-)

(-)

BiodisponibilidadCd2+

(Adriano, 2001; Sposito, 2008; Smolders and Mertens, 2013)

(Liang et al., 2013)

pH menores a 7,0 – 50% Cd forma más biodisponible (Cd2+)

(Smolders and Mertens, 2013)

Sólidos

Solución del suelo

Colombia, un país de suelos ácidos

80% de los suelos colombianos presentan condiciones de

acidez

Clima Material parental

Organismos del sueloRelieveTiempo (Malagón, 2003; Jaramillo, 2011)

*pH < 5,5 *Acidez o Al intercambiable > 0.5 cmol(+) Kg-1 de suelo*Suma de bases (Ca, Mg, K) < 5 cmol(+) Kg-1 de suelo*Saturación de acidez (Al3+) > 20%

Pedogénesis

Entisoles Inceptisoles Ultisoles Oxisoles

pH % SOM CIC cmol(+) kg-1 Biodisponibilidad

Pedogénesis – suelos tropicales

(Jaramillo, 2011; IGAC, 2016)

Suelos ácidos presentan una mayor susceptibilidad a la transferencia de

Cdsuelo - Cdalimentos

¿Cómo es tratar los suelos para reducir la acumulación de Cd en alimentos ?

Reducción en la acumulación de Cd en alimentos

Suelo Plantas

Inmovilización de Cd

Reducción de Cd Suelo

Enmiendas

Nutrición mineral

Microorganismos

Fisicoquímicas

Uso de cultivares de baja acumulación

Fitorremediación

Lavado de suelos

Modificación genética

3) Bioacumulación

4) Biomagnificación

*Hojas*Frutos

CDIing= 1X10-4 mg kg-1 d-1

Riesgos a cáncer

Solución del suelo

2) Nutrición mineral de las plantas

c

Sólidos

1) Interacción suelo - Cadmio

Cd2+

Ca2+

Zn2+K+

(USEPA, 2012)

Biodisponibilidad

¿Qué es una enmienda?

“Toda sustancia cuya acción fundamental consiste en el mejoramiento de por lo menos una característica física, química o biológica del suelo”

Instituto Colombiano de Normas Técnicas – ICONTEC (NTC 1927)

Enmiendas

Inorgánico

Orgánico

Mixtas

(Hamid et al., 2019)

https://www.elespectador.com/noticias/economia/argos-usara-llantas-sus-hornos-articulo-527545

Explotación minerales

Ej. Encalantes Rocas fosfóricasYesosBentonita

Biomasas

Ej. GallinazaEstiércol de ganado

https://seleccionesavicolas.com/avicultura/2018/02/cuanta-gallinaza-producen-en-las-granjas-de-pollos

https://richmondsandgravelandlandscaping.com.au/product/cow-manure/

Biosólidos

Ej. PTAR

http://urquijoing.com/projects/digestores-anaerobicos-san-fernando-epm-medellin/

Transformación de biomasas -Compostaje

Ej. Compost

Transformación de biomasas -Pirolisis

Ej. Biochar

Biosólidos

Madera

Residuos de cultivos

Economía circular

①Origen de las enmiendas –sostenible

②Reincorporación de materiales al suelo

③Mejorar otros aspectos del suelo. Ej. Fertilidad

Residuos agroindustriales

(Hamid et al., 2019)

pH

SOM

Bases (ej. Ca2+, K+)

Arcillas

CIC

Concentración de Cd

(Hamid et al., 2019)

Casos de estudio

Suelos Colombianos• Inorgánicas• Orgánicas

Orgánicas

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00

Cd b

iodi

spon

ible

pH del sueloFuente: autor

P <0.05

0

5

10

15

20

25

6,5 7,5 8,5 9,5 10,5

Cd e

n pl

anta

(mg/

kg)

Cd biodisponible (mg/kg)Fuente: autor

P <0.05

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00

BAF

pH del sueloFuente: autor

P <0.05

*

Sólidos

Solución del suelo

Cd2+

pH 5,5 – 7,6

CICSOM

( - )( - )

( - )

( - )

( - )

Fuente: autor

OtavitaCdCO3

Inorgánicas

0

1

2

3

4

5

6

7

Control CaS MgS

Fact

or d

e Tr

ansl

ocac

ión

(TF)

Fuente: autor

P <0.05

Fitoquelatinas

Secuestro de Cd –grupos Tiol (-SH)

Disminuye el TF

(Szarka et al., 2013)

SS

S

0

5

10

15

20

25

Calcium carbonate Calcium hidroxide Control

Cd p

lant

as (

mg/

kg)

P <0.05

Cd2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+pH 4,5 - 6,0

%Saturación Ca

Incrementobiodisponibilidad

(Bolan et al; 2003; Mortensen et al., 2018)

P

K

Ca

Mg

Na

FeIncrementos en la nutrición mineral de plantas. 20 – 40%

*pH

*Aportes de las enmiendas

Fuente: autor

Conclusiones① Los suelos tropicales por sus condiciones de acidez presentan mayor

concentración de Cd biodisponible. ② El uso de enmiendas es una alternativa con potencialidades para

disminuir la acumulación de Cd en alimentos.③ Debe ajustarse la alterativa de tratamiento al tipo de enmienda –

suelo – planta. ④ Es posible mejorar la nutrición mineral de las plantas de manera

paralela al tratamiento de suelos.

Gracias

jelopez@udem.edu.co