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