� Univ�rsidad � Continental FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Ambiental Evaluación de las concentraciones de cadmio en las hojas de maíz en relación a su disponibilidad en suelos de diferente pH en el Valle del Mantaro David Edú Cristobal Elescano Huancayo, 2017 Tesis para optar el Título Profesional de Ingeniero Ambiental - - - - Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú ii AGRADECIMIENTOS Me gustaría que estas líneas sirvieran para expresar mi más profundo y sincero agradecimiento a todas aquellas personas que con su ayuda han colaborado en la realización del presente trabajo, con todas ellas me encuentro en deuda por el ánimo infundido y la confianza en mí depositada, quisiera hacer extensiva mi gratitud Quiero empezar agradeciendo al laboratorio de la Universidad Continental donde se desarrollaron parte de los análisis de datos, al laboratorio de la Universidad Agraria la Molina donde se ejecutaron las pruebas de cadmio total (suelos, hojas) y al laboratorio de agronomía de la Universidad del Centro donde se efectuaron las pruebas de pH y las comunidades de Sincos, San Lorenzo, Muquiyauyo, Quilcas y Sicaya, que me permitieron extraer las muestras(suelo) para el desarrollo de la Tesis, al Proyecto Mantaro Revive, quienes con el proceso de su investigación aportaron datos fundamentales para el desarrollo del trabajo. De igual forma agradezco a mi asesor de tesis Ing. Andrés Azabache Leyton quien, con sus conocimientos, apoyo, experiencia y a la vez proporcionándome los datos necesarios para que esta tesis pueda ser concluida, le estaré muy agradecido. A su vez, el presente trabajo no hubiera sido concluido adecuadamente sin la pauta de los catedráticos de la Universidad Continental al Ing. Jacinto Arroyo Aliaga, Ing. Carmencita Lavado Meza y a la Ing. Elizabeth Machuca Manrique, quienes con sus contribuciones y con el ánimo de mejorar la tesis aportaron para que el trabajo resulte de la mejor forma, a todos ellos mi gratitud. Por último, a mi padre David Cristóbal Carbajal, quien me apoyó en el trabajo de campo en las recolecciones de muestras de suelos, a mi colega José Pacheco Valenzuela quien realizó su colaboración activa para el desarrollo práctico en el laboratorio y la Ing. Sandy García Bendezú quien corroboró la veracidad de los resultados de las muestras de cadmio total (suelo y hojas) en el laboratorio de la Universidad Agraria la Molina. iii A mis padres David Mario, Amanda Esther y a mi hermana Paola por su apoyo incondicional. iv ÍNDICE GENERAL Página Agradecimiento……………………………………………………………………….. Dedicatoria ……………………………………………………………………………. Índice general …………………………………………………………………………. Índice de tablas ……………………………………………………………………… Índice de imágenes …………………………………………………………………… Índice de gráficos …………………………………………………………………… Índice de figuras ……………………………………………………………………… Índice de mapas ………………………………………………………………………. Resumen……………………………………………………………………………… ii iii iv vi Abstract......................................................................................................................... xii Introducción…………………………………………………………………………… xiii CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO…………………………………. 1 1.1 Planteamiento y formulación del problema……………………………………. 1 1.1.1 Planteamiento del problema………………………………………………. 1 1.1.2 Formulación del problema…………………………………………………. 3 1.2 Objetivos…………………………………………………………………………... 3 1.2.1 General………………………………………………………………………. 3 1.2.2 Específicos………………………………………………………………..…. 3 1.3 Justificación e importancia………………………………………………………. 4 1.3.1 Justificación de la investigación…………………………………………… 4 1.3.2 Importancia de la investigación…………………………………………… 4 1.4 Hipótesis…………………………………………………………………………… 5 1.4.1 General……………………………………………………………………… 5 1.4.2 Específicas…………………………………………………………………... 5 1.5 Variables, operacionalización…………………………………………………… 5 1.5.1 Variable dependiente………………………………………………………. 5 1.5.2 Variable independiente…………………………………………………….. 5 CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO…………………………………………………… 7 2.1 Antecedentes del problema …………………………………………………...… 7 2.1.1 Nacionales ………………………………………………………………….. x x vii x ix vii x 7 v 37 30 2.1.2 Internacionales ……………………………………………………………... 7 2.2 Base teórica……………………………………………………………………….. 15 2.2.1 Suelo……………………………………………………………………….. 2.2.2 El perfil del suelo…………………………………………………………... 2.2.2.1 Designación de los horizontes del suelo ………………………………. 2.2.3 Propiedades físicas del suelo ……………………………………………… 2.2.4 Tipos de suelo ……………………………………………………………. 2.2.5 Metales pesados………………………………………………………….. 2.2.6 Problemática de metales pesados en el ambiente…………………………. 2.2.7 Tolerancia de las plantas hacia los metales pesados ……………………………………………………… 2.2.8 Absorción y transporte de metales en las plantas ……………………… 16 16 2.2.9 Factores que afectan a la disponibilidad de los metales pesados en las plantas ………………………………………….. 2.2.10 El cadmio en el suelo ………………………………………………….... 2.2.11 Emisiones de cadmio al suelo ………………………………………….. 2.2.12 Reacciones del cadmio en los suelos …………………………………… 2.2.13 Transferencia del cadmio en el sistema suelo – planta ……………........ 2.2.14 Efectos del cadmio en la salud humana ………………………………… 2.2.15 Riesgo ambiental – Movilidad y biodisponibilidad de metales ………… 2.2.16 La Fito corrección de los suelos contaminados ………………………… 2.2.17 Fito extracción de metales pesados ……………………………………. 2.2.18 Fito estabilización de metales pesados ………………………………… 2.3 Definición de términos básicos …………………………………………………. 34 CAPÍTULO III: METODOLOGÍA………………………………………………..… 48 3.1 Método y alcance de la investigación………………………………………….... 48 3.1.1 Método de investigación 3.1.1.1 Método general ……………………………………………………. 48 48 3.1.1.2 Método específico ………………………………………………… 3.2 Diseño de investigación …………………………………………………………. 3.2.1 Diseño preexperimental …………………………………………………. 3.2.2 Alcance de la investigación ……………………………………………… 3.3 Población y muestra …………………………………………………………….. 48 68 68 69 70 3.3.1 Población……………………………………………………………………. 70 16 20 24 25 25 26 26 2 36 38 43 44 45 29 33 32 47 37 34 vi 3.3.2 Muestra………………………………………………………………………. 70 CAPÍTULO IV: RESULTADOS Y DISCUSIÓN……………………………………. 71 4.1 Resultados y tratamiento y análisis de la información……………………………. 4.1.1 Resultado textural …………………………………………………………. 4.1.2 Análisis de suelos …………………………………………………………. 71 71 72 4.1.3 Concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays) ................………… 74 4.1.4 Contenido de cadmio en el suelo al final del experimento ………………… 76 4.1.5 Tasa de transferencia de cadmio del suelo hacia las hojas de maíz (Zea mays) 78 4.1.6 Materia seca de la parte aérea.....................................……………………… 80 4.1.7 Materia seca de la raíz................................................... ……………………... 81 4.1.8 Altura de planta de maíz (Zea mays) ............................................................ 82 4.1.9 Longitud de la raíz.................................................................……………… 84 4.1.10 Correlación y regresión...................................……………………………. 85 4.2 Discusión …………………………………………………………………………… 88 CAPÍTULO V: CONCLUSIONES…………………………………………………… 89 Recomendaciones……………………………………………………………………… 91 Referencias bibliográficas…………………………………………………………….. 92 ANEXOS………………………………………………………………………………. 103 vii ÍNDICE DE TABLAS Página Tabla 1. Estándares de calidad ambiental para suelo (ECA-Perú)……………... Tabla 2. Zonas de muestreo ………………………………………………………… Tabla 3. Rotulado de muestra………………………………………………………. Tabla 4. Método de análisis de metales en suelo…………………………………… Tabla 5. Tratamientos en estudio…………………………………………………… Tabla 6. Resultados de análisis de suelo…………………………………………. Tabla 7. Resultados de análisis de suelo…………………………………………. Tabla 8. Resultados del análisis de cadmio en hojas de maíz (Zea mays) (mg/kg)……………………………………….. Tabla 9. Prueba de significación de Duncan para tratamientos. Concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays)………………. Tabla 10. Resultados del análisis de cadmio en el suelo (mg/kg)………………. Tabla 11. Prueba de significación de Duncan para tratamientos. Contenido total de cadmio en 5 suelos de diferente pH del valle del Mantaro……………………………………………………... Tabla 12. Resultados de la tasa de transferencia de cadmio del suelo hacia las hojas de maíz (Zea mays) (%)………………………………. Tabla 13. Prueba de significación de Duncan para tratamientos. Tasa de transferencia de cadmio del suelo hacia las hojas de maíz (Zea mays)………………………………………………………. Tabla 14. Resultados de la materia seca de la parte aérea de maíz (Zea mays) (g)…………………………………………… Tabla 15. Prueba de significación de Duncan para tratamientos. Materia Seca de parte aérea de maíz (Zea mays)……………………. Tabla 16. Resultados de la materia seca de la raíz de maíz (Zea mays) (g)……………………………………………………. Tabla 17. Prueba de significación de Duncan para tratamientos. Materia Seca de raíz de maíz (Zea mays)……………………………... Tabla 18. Resultados de altura de planta de maíz (Zea mays) (cm) al final del experimento…………………………………………………... Tabla 19. Prueba de significación de Duncan para tratamientos. Altura de planta de maíz (Zea mays)…………………………………… Tabla 20. Resultados de la longitud de la raíz de maíz (Zea mays) …………… 6 67 69 71 72 74 75 76 77 78 79 80 80 81 82 82 83 84 53 49 viii Tabla 21. Prueba de significación de Duncan para tratamientos. Longitud de raíz de maíz (Zea mays)…………………………………... Tabla 22. Correlación entre la concentración de cadmio en hojas de maíz fd (Zea mays) y cadmio disponible en el suelo cadmio inicial y tasa de transferencia de cadmio……………………... Tabla 23. Análisis de varianza de la regresión entre el pH del suelo y concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays)………….... 84 85 86 ix ÍNDICE DE IMÁGENES Página Imagen 1. Horizontes del suelo……………………………………………………… Imagen 2. Zona muestreada Sicaya………………………………………………..... Imagen 3. Toma de muestras compuestas………………………………………….. Imagen 4. Extrayendo submuestra…………………………………………………. Imagen 5. Recolección muestras compuestas………………………………………. Imagen 6. Triturado de muestras grandes…………………………………………... Imagen 7. Tamizado de suelo………………………………………………………. Imagen 8. Embolsado de muestras…………………………………………………. Imagen 9. Muestras de los suelos………………………………………………….... Imagen 10. Etiquetado de suelos……………………………………………………. Imagen 11. Pesado de muestra………………………………………………………. Imagen 12. Preparado de muestra en vaso metálico………………………………… Imagen 13. Batido de muestra………………………………………………………. Imagen 14. Agitado de muestra…………………………………………………….. Imagen 15. Toma de datos de la muestra…………………………………………. .. Imagen 16. Segunda toma de datos de la muestra………………………………….. Imagen 17. Tamizado de suelo……………………………………………………… Imagen 18. Preparado de plantaciones…………………………………………….. Imagen 19. Unidades experimentales a los 15 días (Quilcas)……………………… Imagen 20. Unidades experimentales a los 15 días (San Lorenzo) ……………….. Imagen 21. Unidades experimentales a los 15 días (Sicaya)………………………. Imagen 22. Unidades experimentales a los 15 días (Muquiyauyo)………………… Imagen 23. Unidades experimentales a los 15 días (Sincos)……………………….. Imagen 24. Secado de la parte aérea de la planta…………………………………… Imagen 25. Medición de raíz………………………………………………………… Imagen 26. Muestra del suelo de cada unidad experimental para el envío al laboratorio para el análisis de cadmio total………………………………………... 20 50 c 50 c 51 55 c 55 c 56 c 56 57 57 c 58 c 58 c 59 c 60 c 61 c 61 c 62 c 63 c 64 c 64 64 64 65 66 66 67 x ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 1. Cinco tratamientos con tres repeticiones…………………………………. Gráfico 2. Contenido de cadmio total en suelos de diferente pH del valle del Mantaro……………………………………………………… Gráfico 3. Regresión y correlación entre pH del suelo y concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays)……………………………..….. ÍNDICE DE FIGURA Figura 1. Clases texturales…………………………………………………………… Figura 2. Estructura de la raíz vegetal – Vías de absorción………………………… Figura 3. Comportamiento de los metales pesados en el suelo………………….…. Figura: 4. Representación esquemática de los distintos mecanismos de fito reacción. El contaminante puede ser estabilizado o degradado en la rizosfera secuestrado o degradado dentro de la planta, o volatilizado………… Figura 5. Patrón de muestreo en cuadricula……………………………………….. ÍNDICE DE MAPA Mapa 1. Ubicación de los puntos de muestreo Valle del Mantaro………………. 68 73 c 87 c 22 c 28 c 39 c 43 c 49 c 48 xi RESUMEN Durante los meses de agosto a octubre del año 2016 se evaluó el elemento cadmio presente en cinco suelos del valle del Mantaro: Sincos, Muquiyauyo, Quilcas, San Lorenzo y Sicaya, considerando los niveles de contaminación de estos suelos, reportado en el año 2007 por el proyecto Mantaro Revive, con los objetivos de determinar la concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays), determinar la disponibilidad de cadmio en el suelo, y relacionar la concentración de cadmio en las hojas y su disponibilidad en suelos de diferente pH. Se trabajó con la capa superficial de los suelos de cada localidad, a través de una muestra compuesta, los cuales fueron dispuestos en un diseño experimental completamente randomizado, con 3 repeticiones, haciendo un total de 15 unidades experimentales. Los resultados permitieron concluir que la concentración de cadmio en las hojas de maíz (Zea mays) varió de 1.127 mg /kg (suelo de Muquiyauyo, moderadamente alcalino) a 0.418 mg/kg (Suelo de Quilcas, moderadamente ácido), los suelos con más alto pH permiten concentrar más cadmio en las hojas de maíz (Zea mays), respecto a los suelos con más bajo pH, la disponibilidad de cadmio fue mayor en los suelos de pH ligeramente alcalino (Sincos = 7.96 mg Cd/kg) y moderadamente alcalinos (Muquiyauyo = 6.88 mg Cd/kg), respecto a los suelos ligeramente ácidos (Sicaya = 1.61 mg Cd/kg), moderadamente ácidos (Quilcas = 1.45 mg Cd/kg); y neutros (San Lorenzo = 1.22 mg Cd/kg). Los suelos de Sincos, Muquiyauyo, Quilcas y Sicaya superaron los Límites Máximos Permisibles del ECA de suelos del Perú, y se consideran suelos contaminados con cadmio. La correlación y regresión entre el contenido inicial de cadmio en el suelo y la concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays) no fue estadísticamente significativa. El cadmio total disponible en el suelo no predice adecuadamente la concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays). Palabras clave: cadmio, metales pesados, contaminación de suelos. xii ABSTRACT During the months of August to October of 2016, the cadmium element present in five soils of the Mantaro Valley was evaluated: Sincos, Muquiyauyo, Quilcas, San Lorenzo and Sicaya, considering the levels of contamination of these soils, reported in 2007 by The Mantaro Revive project, with the objective of determining the concentration of cadmium in maize leaves, determine the availability of cadmium in the soil, and to relate the concentration of cadmium in the leaves and their availability in soils of different pH. We worked with the surface layer of the soils of each locality, through a composite sample, which were arranged in a completely randomized experimental design, with 3 repetitions, making a total of 15 experimental units. The results showed that the concentration of cadmium in maize leaves varied from 1,127 mg / kg (Muquiyauyo soil, moderately alkaline) to 0.418 mg / kg (Quilcas soil, moderately acid), soils with higher pH allow concentrating More cadmium in corn leaves, the availability of cadmium was higher in soils with slightly alkaline pH (Sincos = 7.96 mg Cd / kg) and moderately alkaline (Muquiyauyo = 6.88 mg Cd / kg) ), Slightly acid soils (Sicaya = 1.61 mg Cd / kg), moderately acidic (Quilcas = 1.45 mg Cd / kg); And neutral (San Lorenzo = 1.22 mg Cd / kg). The Soils of Sincos, Muquiyauyo, Quilcas and Sicaya, exceeded the Permissible Maximum Limits of ECA of Peruvian soils, and are considered soils contaminated with cadmium. The correlation and regression between the initial cadmium content in the soil and the cadmium concentration in maize leaves was not statistically significant. Total cadmium available in the soil does not adequately predict the concentration of cadmium in corn leaves. Key words: cadmium, heavy metals, soil contamination. xiii INTRODUCCIÓN La absorción de contaminantes del suelo por las plantas cultivadas varía en función de la especie de planta, el tipo de suelo y los factores ambientales, resultando en diferentes concentraciones de elementos en tallos, hojas, frutos y raíces de las plantas. Cuando estas evaluaciones se realizan en los cultivos predominantes en una zona agrícola, pueden estimar las tasas de descontaminación de los suelos, dependiendo del tipo de contaminante. La contaminación de los suelos por metales pesados ha planteado una amenaza potencial en la producción de cultivos a nivel mundial. De todos los metales, el Cadmio (Cd) ha despertado la preocupación pública debido a su fácil absorción por las plantas y su transferencia a las diferentes partes de la planta (1). Además de los procesos naturales, las adiciones antropogénicas de Cd vía deposición atmosférica y el uso de fertilizantes, residuos de aguas residuales, compost urbano, y lodos industriales son las principales fuentes en suelos agrícolas (2). En el valle del Mantaro, los suelos están contaminados por metales pesados, como lo reportó el año 2007, el proyecto Mantaro Revive, uno de esos elementos es el cadmio, tóxico para los seres humanos y todo tipo de organismos; desde esa fecha los niveles y extensión de la contaminación deben haber variado, haciéndose necesario evaluar los suelos y cultivos predominantes para proponer medidas de remediación de suelos. El cadmio es un metal que es de gran importancia en el ambiente, debido a su toxicidad a humanos y animales. Las concentraciones de cadmio pueden acumularse en plantas y no ser tóxicas para ellas, pero son tóxicas para animales que comen esas plantas. La toxicidad de cadmio afecta especialmente a los humanos antes que, a los animales, debido a su longevidad y la acumulación de cadmio en sus órganos por consumir alimentos contaminados por cadmio (3). Una de las partes vegetativas de acumulación de cadmio lo constituyen las hojas, en el cultivo de maíz (Zea mays), que se siembra extensamente en el valle del Mantaro, este elemento se concentra en las partes vegetativas de la planta, después de ser absorbido por las raíces, en función de su disponibilidad en el suelo, su tasa de translocación, y su movilidad tanto en el suelo como en la planta, pues generalmente los metales pesados en el xiv suelo son de lenta movilidad, por estar sujetos a diferentes procesos de retención física (fisuración) o química (quimiosorción), dependiendo de las propiedades del suelo. La absorción y acumulación de Cd varía no solo entre especies de plantas sino también entre cultivares y genotipos. Para reducir la transferencia de Cd a las partes comestibles de los cultivos, es factible seleccionar los genotipos de baja acumulación. Muchos estudios previos han reportado la variación genotípica de acumulación de Cd en soya (4), trigo (5), maíz (Zea mays) (6), girasol (1) y arroz (7). La mayoría de estos experimentos han sido conducidos en cultivos hidropónicos con un nivel simple de Cd, y se han usado plántulas de cultivos. El pH y la materia orgánica son dos de los más importantes factores del suelo que controlan la disponibilidad de cadmio (8). La disponibilidad del elemento químico está referida para los receptores vivos (por ejemplo, raíces de las plantas) a través del contacto directo o absorción (9). Diversos trabajos de investigación confirman que el pH es uno de los más importantes factores, que controla la absorción de metales pesados (10). Se planteó en el presente estudio evaluar la concentración de cadmio en las hojas de maíz (Zea mays), a nivel experimental, se utilizaron suelos del valle del Mantaro, de cinco diferentes localidades, que tuvieron diferente pH, por ser uno de los factores del suelo que influye en su disponibilidad y absorción de la planta. 1 CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1 Planteamiento y formulación del problema 1.1.1 Planteamiento del problema Durante los últimos años, se ha incrementado el interés en relación a la acumulación de metales pesados en los ecosistemas terrestres. La contaminación del suelo, componente de los ecosistemas, se ha incrementado en el mundo y tiene un riesgo a largo plazo sobre la salud del ecosistema. El suelo puede afectar la salud humana de diferentes maneras, especialmente a través de los canales alimenticios, donde el cuerpo humano ingiere alimentos y agua que provienen de suelos contaminados. Los metales pesados, como el cadmio, pueden acumularse en el cuerpo humano y ser tóxicos. El maíz (Zea mays), es un cultivo muy importante en el distrito El Mantaro, por su gran área cultivada, siendo fuente alimenticia de los pobladores del lugar, así como de las personas de la capital de la República, Lima, donde es comercializado. Su consumo humano a través de choclo o maíz (Zea mays), se complementa con el forraje que se dispone de los residuos de cosecha, para los animales. Este cultivo se desarrolla en suelos contaminados del distrito El Mantaro, según datos del año 2007, a través de la publicación de resultados 2 del proyecto Mantaro Revive, donde el cadmio total en suelos agrícolas superó los límites permisibles del ECA (Estándar de Calidad Ambiental), de Canadá, porque a esa fecha no estaba publicado el ECA Suelos del Perú. Este metal pesado en el suelo, tiene diferentes mecanismos de interacción con la fase sólida y líquida, siendo los componentes inorgánicos (minerales), así como el pH y la fracción orgánica, los determinantes en su contenido, que cuando es alta, favorece la absorción de la planta y consecuentemente su disminución en el suelo. En un experimento de una parcela en el campo sobre la contaminación de microelementos (aluminio, arsénico, cadmio, cromo, cobre, mercurio, plomo y zinc) se inició en 1994 en Hungría, en la Granja Modelo de Tasspuszta, del Gyongyos College. Las plantas experimentales fueron trigo de invierno (Triticum aestivum L. emend. Fiori et Pool.) en 1995, maíz (Zea mays) (Zea mays L.) en 1996, y girasol (Helianthus annuus L.) en 1997. Las muestras de plantas fueron tomadas cada año durante el periodo vegetativo en fenofases caracterizadas por absorción intensiva de nutrientes. La acumulación de cadmio fue significativa en partes vegetativas y reproductivas de los cultivos con el incremento de cadmio en el suelo. El contenido de cadmio fue casi 10-40 veces más en semillas de girasol tratadas que en el control; como resultado, las semillas no fueron adecuadas para el consumo. El cadmio puede acumularse en el tejido reproductivo, y se constituye en un riesgo real en la cadena alimenticia (11). En este contexto, se propuso evaluar el contenido de cadmio en plantas de maíz (Zea mays), que se desarrollaron en suelos de diferente pH y relacionarlo con su contenido total en el suelo. 3 1.1.2 Formulación del problema a) Problema general - ¿Cuál es la concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays) y su relación con la disponibilidad en suelos de diferente pH en el valle del Mantaro? b) Problemas específicos - ¿Cuál es la concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays) en suelos de diferente pH del valle del Mantaro? - ¿Cómo varía la disponibilidad de cadmio en suelos de diferente pH en el valle del Mantaro? - ¿Cuál es la relación entre cadmio en las hojas de maíz (Zea mays) y la disponibilidad de cadmio en el suelo? 1.2 Objetivos 1.2.1 General Determinar la concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays) y relacionarla con la disponibilidad en suelos de diferente pH del valle del Mantaro. 1.2.2 Específicos Determinar la concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays) en suelos de diferente pH del valle del Mantaro. Determinar la disponibilidad de cadmio en suelos de diferente pH del valle del Mantaro. Relacionar la concentración de cadmio en las hojas de maíz (Zea mays) y su disponibilidad en suelos de diferente pH. 4 1.3 Justificación e importancia 1.3.1 Justificación de la investigación La absorción de cadmio por las plantas cultivadas disminuye la concentración de contaminantes en el suelo, en función de las características del suelo contaminado y se constituye en una técnica de remediación; después de lo cual las plantas desarrolladas en suelos contaminados deben ser tratadas para evitar que el ciclo de contaminación continúe a través de la cadena alimenticia. Al determinar la relación existente entre la concentración de cadmio en las hojas de la planta y su disponibilidad en el suelo, se establecerán las características del modelo de relación entre estas variables, que permitirá aplicarla a condiciones similares, de suelos y plantas. 1.3.2 Importancia de la investigación El cadmio es un metal pesado tóxico para los seres vivos cuando se encuentra en altas concentraciones en el suelo, y su disminución a través de la absorción de la planta, favorecerá la remediación del suelo. Los suelos en los que los contaminantes están en bajas concentraciones, por debajo de los límites permisibles establecidos por los Estándares de Calidad Ambiental, tendrán menor potencial de contaminar a los seres humanos que consumen las partes cosechables del maíz (Zea mays) (Zea mays L.), no solo en nuestra región sino en el país. La bioacumulación de cadmio en el medio ambiente ocurren en los tres principales medios naturales, (aire, agua y suelo) y son muy variables; sin embargo, el grado de biodisponibilidad y el potencial de efectos varían dependiendo de la forma de cadmio; el cadmio se bioacumula principalmente en los riñones y el hígado de los vertebrados y los invertebrados acuáticos y algas. (35) 5 1.4. Hipótesis 1.4.1 General - Existe una relación directa entre la concentración de cadmio en hojas de maíz (Zea mays) y la disponibilidad en suelos de diferente pH en el valle del Mantaro. 1.4.2 Específicas - Existe una concentración alta de cadmio en suelos de diferente pH del valle del Mantaro. - Existe una disponibilidad baja de cadmio al disminuir el pH de los suelos del valle del Mantaro. - Existe una baja relación entre el cadmio en hoja y la disponibilidad en los suelos del valle del Mantaro. 1.5. Variables, operacionalización 1.5.1 Variable dependiente Y = Concentración de cadmio de las hojas en la planta de maíz (Zea mays) del Valle del Mantaro. Indicadores: 1. Análisis del contenido de cadmio en (mg/kg) en las hojas de la planta de maíz (Zea mays). 1.5.2 Variable independiente X= Concentración de cadmio en suelos de diferente pH del valle del Mantaro. 6 Indicadores: 1. Análisis del contenido de Cd en (mg/kg) en suelos de diferente pH del Valle del Mantaro Tabla 1. Estándares de calidad ambiental para suelo (ECA-Perú). Parámetros inorgánicos Suelo agrícola Cadmio total (mg/kg) 1.4 Fuente: MINAM. 2013. DS N° 002-2013-MINAM. Estándares de calidad ambiental para suelo. 7 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes del problema 2.1.1 Nacionales En el trabajo titulado: “Efecto de la materia orgánica y fuentes de cal en la toxicidad de cadmio en maíz (Zea mays)”, se optó por determinar los niveles críticos de cadmio que causan efecto al maíz (Zea mays) a través del tiempo, basándose en un ensayo preliminar, en el cual se hicieron tres siembras: 0-30-90 días después de la contaminación. Los niveles fueron 0- 50-100-150-200-250 y 300 mg Cd/kg de suelo. Los resultados obtenidos muestran que, donde se hizo la aplicación de cadmio, las dosis de 50 y 100 mg Cd/kg de suelo fueron los más representativos en la producción de materia seca, del promedio entre tratamientos de las tres épocas de siembra; mientras que el promedio mayor entre época de siembra se obtuvo a los 90 días después de la contaminación con cadmio. En la segunda fase se trabajó con niveles de 50 y 100 mg Cd/kg de suelo con 18 tratamientos, aplicando compost (2%) y las fuentes de calcio. La mejor fuente de calcio la obtuvo el tratamiento en que se hizo la combinación, aumentando su peso foliar (3.56 g) en comparación con el tratamiento que no se le hizo aplicación de ninguna fuente. Mientras que con la aplicación de materia orgánica las plantas incrementaron su peso seco, tanto en la parte foliar (37.53 g) como en raíz 8 (14.78 g). Con la aplicación de calcio se redujo la absorción de cadmio en forma significativa. Para ambas fases se trabajó con un Diseño Completo al Azar (DCA) con la prueba de significación de Duncan al 0.05% (12). En el trabajo de tesis titulado: “Fuentes fosfatadas en dos suelos en la concentración de cadmio foliar en maíz (Zea mays) bajo condiciones de invernadero”, con los objetivos de establecer el efecto de la aplicación de diferentes fertilizantes fosfatados en la absorción de cadmio por plantas de maíz (Zea mays), determinar el efecto de distintos niveles de fósforo aplicado en la absorción de cadmio por plantas de maíz (Zea mays) y evaluar el efecto de dos tipos de suelo, sobre la absorción de cadmio por plantas de maíz (Zea mays). Los tratamientos considerados fueron dos fuentes de fósforo (fosfato diamónico y roca fosfórica acidulada con ácido sulfúrico), en tres dosis (50 ppm, 100 ppm y 200 ppm) interaccionando con dos tipos de suelo (franco arenoso y arenoso), dispuestos en un diseño completamente al azar con arreglo factorial 2x3x2 con dos testigos adicionales. Los resultados mostraron un incremento de la materia seca conforme se incrementaron los niveles de fósforo, logrando una mayor producción de materia seca con la aplicación de 200 ppm de P, siendo la fuente fosfato diamónico la que mayor acumulación de materia seca presentó, así como el suelo arenoso. En cuanto a la extracción total de cadmio, se observó que esta se relaciona directamente con la cantidad de fertilizante fosfatado aplicado. El tratamiento sin aplicación de fósforo y con roca fosfórica acidulada con ácido sulfúrico como fuente de P, fueron los tratamientos que mostraron las menores extracciones de cadmio por el cultivo. La aplicación de fosfato diamónico fue el tratamiento que mostró la mayor extracción total de cadmio en las plantas de maíz (Zea mays). Asimismo, bajo el suelo arenoso usado como sustrato, la presencia de cadmio en los tejidos del cultivo se incrementó. (13) Se reportó que en el Valle del Mantaro se ha evidenciado concentraciones de cadmio en dos áreas de monitoreo, ubicados en los distritos de Orcotuna, Concepción y El Mantaro, Jauja; donde las concentraciones de este metal superan en 9.5 y 13.5 veces el ECA de Canadá, en ambos casos las áreas son regadas por el río Mantaro. Además, se 9 menciona que los resultados publicados, corresponden a data de muestreo superficial, y por lo tanto son suelos que pueden estar en directo contacto con personas, animales y plantas. Se concluye que los suelos regados con aguas del río Mantaro evidencian altos contenidos de los metales analizados. (14) 2.1.2 Internacionales En el trabajo de investigación titulado: “The potential of Corn (Zea mays) for Phytoremediation of Soil Contaminated with Cadmium and Lead”, se tomó muestras de suelo de 0-20 cm de profundidad, de la provincia de Chaharmahal Bakhtiari en el oeste de Irán. Se sembró maíz (Zea mays) en macetas que contenían 3 kg de estos suelos. El experimento consistió de 9 tratamientos incluyendo suelo sin cadmio y plomo (T1), suelo contaminado con una concentración de cadmio de 2 mg/kg (T2), suelo contaminado con 4 mg/kg de concentración de cadmio (T3), suelo contaminado con 8 mg/kg de concentración de cadmio (T4), suelo contaminado con 16 mg/kg de concentración de cadmio (T5), suelo contaminado con 6 mg/kg de concentración de plomo (T6), suelo contaminado con 12 mg/kg de concentración de plomo (T7), suelo contaminado con 18 mg/kg de concentración de plomo (T8) y suelo contaminado con 24 mg/kg de concentración de plomo (T9). Las muestras fueron analizadas después de 60 días. Las características físicas y químicas del suelo como textura, capacidad de intercambio de cationes, pH, conductividad eléctrica, materia orgánica y cadmio y plomo extractable fueron medidos antes y después del ensayo. Las evidencias proporcionadas por este experimento indicaron que el maíz (Zea mays) es una planta acumuladora efectiva para la fitorremediación de suelos contaminados con cadmio y plomo. Los datos encontrados para raíz fueron de 5.1913 mg Cd/kg (T2), 8.6906 mg Cd/kg (T3), 15.4127 mg Cd/kg (T4) y 9.7215 mg Cd/kg (T5); para tallos fueron: 1.3305 mg Cd/kg (T2), 2.791 mg Cd/kg (T3), 3.512 mg Cd/kg (T4) y 5.5304 mg Cd/kg (T5), demostrando mayor acumulación de cadmio en raíz en comparación con el tallo. Todos los tratamientos fueron estadísticamente diferentes. (15) 10 En el trabajo de investigación titulado: “Chromium, Nickel, Cadmium, and Lead Accumulation in Maize, Sunflower, Willow, and Poplar”, con los objetivos de: (i) evaluar y comparar la acumulación de metales pesados (cadmio, cromo, níquel, y plomo) por plantas de alta producción de biomasa, como son maíz (Zea mays) (Zea mays L.), girasol (Helianthus annuus L.) y árboles de rápido crecimiento, como son el sauce (Salix x smithiana Willd.), y álamo (Populus nigra L. x P. maximowiczii) en suelos contaminados con estos elementos, y (ii) hallar una relación entre los contaminantes en suelos y plantas para localidades específicas caracterizadas por el contenido heterogéneo de elementos del suelo. El experimento fue realizado en un suelo contaminado en Hradec Kralove (República Checa). Las muestras de suelo y planta fueron colectadas de tres parcelas con diferente contenido de elementos (altas cantidades de Cd, Cu, Hg, Zn, Cr, Ni y Pb). Se investigó la cantidad total y disponible de concentraciones de metales en el suelo. Solo una pequeña porción de los elementos fue disponible para las plantas (6% Ni, 14% Cd, 1.3% Pb, y menos de 1% de Cr). La más alta concentración de cadmio fue hallada en hojas de sauce (1.87 mg Cd/kg) y raíces de sauce (3.05 mg Cd/kg). Los resultados también indicaron que la translocación de Cr, Ni, Cd y Pb desde las raíces a la parte aérea de la planta de sauce y álamo fue baja (89-98% de los elementos fueron retenidos en las raíces). La más alta translocación desde las raíces de las plantas a la parte aérea de maíz (Zea mays) y girasol fue hallada en el caso de Cd y Pb (57 y 83% de Cd, 56 y 76% de Pb). (16) En la investigación titulada “Cadmium accumulation and its effects on metal uptake in maize (Zea mays L.), se tuvo como objetivo analizar las acumulaciones de cadmio en raíces y tallos y las interacciones con otros metales (Mn, Fe, Cu y Zn). Las concentraciones utilizadas de cloruro de cadmio variaron de 10-4 M a 10-6 M. El Cd tuvo efectos estimulatorios durante los 5 primeros días sobre la longitud de raíz de Nongda Nº 108 a concentraciones de 10-6 M a 10-5 M. Las plántulas expuestas a una solución 10-4 M de Cd exhibieron una sustancial reducción del crecimiento y el crecimiento de la raíz se detuvo. El crecimiento de la raíz de Liyu Nº 6 fue 11 estimulada a concentraciones de 10-5 M y 10-6 M Cd durante todo el experimento (15 días). El Cd inhibió el crecimiento de la raíz de Liyu Nº 6 a 10-4 M de Cd después de 10 días de tratamiento. La acumulación de Cd en las raíces y tallos de los dos cultivares incrementó significativamente (P0.05) con el incremento de la concentración de cadmio y duración del tratamiento. El cadmio se concentró principalmente en las raíces, y pequeñas cantidades fueron transferidas a los tallos. La proporción de cadmio en las raíces de Nongda Nº 108 disminuyó con el incremento en las concentraciones de cadmio y duración del tratamiento, excepto para el grupo expuesto a 10-4 M de Cd. En Liyu Nº 6, la proporción de cadmio en las raíces disminuyó progresivamente con el incremento de las concentraciones de cadmio. Liyu Nº 6 tuvo una mayor habilidad para remover cadmio de la solución y acumularlo cuando fue comparado con Nongda Nº 108. Liyu Nº 6 puede ser considerado un hiperacumulador de cadmio, según el dato comúnmente aceptado de concentración de tallos que define hiperacumulación como 0.01% (m/m) para cadmio. Este cultivar, produce muchas raíces y una gran biomasa y con gran habilidad para acumular cadmio, puede jugar un rol importante en el tratamiento de suelos contaminados con cadmio. (17) En el trabajo de investigación titulado “Cadmium uptake in field pea cultivars grown under French and Swedish conditions” se evaluó la respuesta de arveja, Pisum sativum, al cadmio (Cd) en el suelo, usando 24 cultivares de arveja y 11 localidades situadas en Francia y Suecia. Los granos tuvieron un contenido promedio de cadmio de 0.036 ppm. La absorción promedio de Cd de los cultivares individuales de arveja no se diferenciaron entre localidades. El cultivar Laser tuvo la más alta absorción promedio, 0.066 ppm de cadmio, mientras que el cultivar Callisto tuvo la más baja absorción, 0.021 ppm de cadmio. El promedio de absorción más alto de cadmio se alcanzó en el campo con el segundo nivel más alto de cadmio (0.39 ppm en el suelo). El más bajo promedio de absorción de cadmio fue obtenido en el campo con el tercer contenido de cadmio más alto (0.32 ppm). No existieron diferencias entre las localidades francesas y suecas con respecto a la absorción de cadmio en la arveja. Todos los cultivares investigados respondieron en términos de 12 absorción de cadmio a las diferencias en la exposición al cadmio presente en las diferentes localidades. Los investigadores sugirieron que las diferencias en el material genético podrían ser cuidadosamente investigadas y explotada para mejorar la tolerancia a la exposición de cadmio. Este estudio demostró que la absorción de cadmio en arveja no depende de los niveles químicos de cadmio en el suelo, como ha sido el caso de los bajos niveles de cadmio en los suelos del presente estudio. (18) En el trabajo de investigación titulado: “Adsorption and Desorption of Native and Added Cadmium in Relation to Properties of Some Alluvial Soils in Punjab”, se examinaron la adsorción y desorción de cadmio (Cd) en relación a las propiedades del suelo en 24 suelos superficiales colectados de diferentes localidades en Punjab. Los suelos variaron ampliamente en propiedades fisicoquímicas como capacidad de intercambio catiónico (CIC), contenido de arcilla, contenido de carbonato de calcio (CaCO3), contenido de materia orgánica, conductividad eléctrica (CE) y pH. El Cd extractado con ácido dietilentriamina pentaacético de los suelos del experimento varió de 0.024 a 0.054 g Cd.g-1 de suelo, mientras que el Cd total varió de 0.9 a 2.25 g Cd.g-1 de suelo. Para la adsorción de Cd las muestras de suelo fueron agitadas con 0.01 M Ca(NO3)2 conteniendo 20 mg de Cd.mL-1 hasta que se obtuvo el equilibrio. La desorción de Cd fue realizada por lavados repetidos de los suelos con solución 0.01 M de Ca(NO3)2 con Cd libre. La cantidad de Cd adsorbido varió de 267.5 a 446.3 g Cd.g-1 suelo, lo cual representa 53.5 a 89.3% del Cd inicialmente agregado. La adsorción de Cd estuvo significativamente correlacionada con CIC, contenido porcentual de arcilla, CE, contenido de CaCO3 y pH del suelo. La regresión lineal múltiple explicó el 41% de la variación total en adsorción de Cd en términos de CIC, mientras que la CIC, pH y materia orgánica, juntos, hicieron la predicción del 73% de variación en la adsorción de Cd. El Cd adsorbido estuvo correlacionado negativamente y significativamente con el Cd acumulado desorbido y % de Cd desorbido. La desorción de Cd nativo del suelo fue imperceptible. La cantidad y patrón de desorción varió con las propiedades del suelo. Casi el 12.6 al 41.2% del cadmio adsorbido podría ser desorbido a la solución suelo 13 después de seis pasos consecutivos de desorción. El porcentaje de cadmio desorbido estuvo significativamente correlacionado con pH, CE, CaCO3, CIC y contenido de arcilla. El carbonato de calcio, la CIC, y el pH explicaron el 69% de variación de desorción porcentual de cadmio. (19) En el trabajo de investigación titulado: “Content, Distribution, and Solubility of Cadmium in Arables and Forest Soils” se determinó la concentración de Cadmio (Cd) en el suelo y solución suelo en 11 pares de perfiles de suelos arables y forestales de Dinamarca que representaron 3 diferentes clases texturales (arena, arena franca y franco arenoso). Estos autores proponen que la forestación de tierras agrícolas disminuye el pH del suelo e incrementa la solubilidad de Cd en el suelo, lo cual causa la lixiviación de Cd a ríos y capas freáticas. Los resultados indicaron que el pH del suelo no cambió o disminuyó con la profundidad en los suelos arables, pero incrementó con la profundidad en los perfiles forestales. Se encontró contenidos significativamente altos de Cd en los 30 cm superiores de los suelos arables comparados con el de los suelos forestales. Las concentraciones totales de Cd en el suelo correlacionaron con la capacidad de intercambio catiónico efectiva (CICe), contenido de arcilla, y contenido de materia orgánica, pero no con el pH del suelo. El pH de la solución suelo no cambió o disminuyó con la profundidad de los perfiles arables, pero incrementó con la profundidad en los perfiles forestales. La concentración de Cd en la solución suelo fue significativamente mayor en los suelos forestales que en los suelos arables. La concentración de Cd en la solución suelo disminuyó conforme el pH se incrementó. Las concentraciones de Cd en el suelo y la solución suelo fueron mayores en los suelos franco arenosos comparados con las arenas francas y arenas. Se concluyó que la forestación puede conducir a mayores concentraciones de Cd en la solución suelo conforme disminuye el pH y la disminución de la CICe disminuye la retención de Cd y reduce la concentración de Cd en la capa superficial de suelos forestales. (20) En el trabajo de investigación titulado: “Fijación y movilidad de cadmio y zinc en tres tipos de suelos ácidos de Galicia, España. Se determinó 14 la retención y la movilidad de Cd y Zn se estudiaron en tres suelos ácidos de Galicia, España los suelos fueron tratados con 500 mg kg-1 de cadmio, 1000 mg kg-1 de zinc y una mezcla de ambos elementos. El contenido total de ambos metales se determinó por digestión ácida usando un horno de microondas, y sus contenidos disponibles por NH4COO CH3 extracción. Se encontraron diferencias significativas en los tres suelos Se encontró una retención más fuerte en el suelo con mayor contenido de materia orgánica, textura más fina, una capacidad de intercambio catiónico más efectiva y un menor porcentaje de saturación de Al. La movilidad de Zn era mayor que la movilidad de Cd en los tres suelos. La alta concentración de uno de los metales favorece la movilidad e inhibe la retención del otro. (21) En el trabajo de investigación titulado: “Respuesta del maíz (Zea mays) en suelos contaminados por metales pesados después de crecer una comunidad de pasto”, se realizó un bioensayo en mesocosmos en condiciones controladas (15°C -25°C, 60%-70% de humedad) durante tres meses. Los suelos utilizados procedieron de las muestras medias recogidas en cada uno de los 30 lugares seleccionados de los tres emplazamientos de minas abandonadas, y después de haber cosechado dos veces durante dos años las plantas crecidas a partir del banco de semillas. El mesocosmos es una cubeta de plástico de 30 cm x 21 cm x 6 cm según se argumentó en (22); en cada uno se plantaron 5 plántulas de maíz comercial procedentes de semillas previamente germinadas en cámara de crecimiento. Se dispusieron tres réplicas por suelo y control (procedente de un cultivo del mismo territorio y sin importantes contenidos de metales), y se regaron con 200 mi agua desionizada cada 48 h. Los suelos son franco-arenosos y no se tamizaron para evitar perder agregados y banco de semillas. Se determinó el pH en pasta saturada, la materia orgánica por oxidación con dicromato potásico, el contenido pseudototal de metales (ICP-OES previa extracción con HNO; y HC1 proporción 4:1) según (22), y total de As por fluorescencia de rayos X. Al finalizar el bioensayo, las plantas se lavaron con agua desionizada, separadamente la parte aérea de la radicular, se secaron en estufa (70°C, 48 h), y se analizaron los metales mediante ICP-OES previa digestión con HNO3 15 y HC1. Se realizaron correlaciones de Pearson entre los datos con el programa SPSS 19. En los resultados se observaron, a pesar de haber crecido la comunidad vegetal en el suelo durante dos años, con la correspondiente absorción de elementos del suelo, los metales persisten en los mismos y son capaces de acumularse en el maíz, mayormente en las raíces, pero una parte importante también llega a las hojas, que son la parte principalmente consumida por el ganado. En más del 30% de los casos analizados, Cd, As, Cu, Mn, Pb y Zn se encuentran en las hojas en cantidades superiores a los niveles de referencia para alimentos según la OMS. En el caso de los tres últimos metales, este porcentaje asciende a más del 85%. En ningún caso, la cantidad de Ni y Cr en partes aéreas excede estas referencias. Esto indica que Mn, Pb y Zn, seguidos de Cu, son los metales que pueden suponer un mayor riesgo para la salud de herbívoros que se alimenten de ese maíz forrajero. También los resultados reflejaron que las hojas del maíz acumulan elevada dosis de metales cuando este cultivo crece en suelos contaminados por los mismos. Esto hace que se piense en el maíz como una planta acumuladora especialmente de Cd, As, Cu, Mn, Pb y Zn, y se hable de ella para fines de fitorremediación de suelos contaminados por dichos metales. Por otra parte, la facilidad para acumular otros elementos en las raíces (especialmente Al, Zn, Pb y As en suelos ácidos y Cd en los básicos), hace que el maíz sea también candidata a la fitoestabilización de los mismos. Aunque esta faceta remediadora del maíz está siendo ampliamente estudiada (23), no podemos llevar a cabo dichas acciones sin asegurarnos que el maíz no va a ser utilizado como forraje, sino únicamente con fines remediadores. 2.2. Base teórica 2.2.1 Suelo El término suelo se refiere al material exterior, poco compacto, de la superficie terrestre; uno de sus componentes principales es la fracción mineral, esta proviene del material parental y es el producto de la desintegración de las rocas provocada por el intemperismo físico, químico y bioquímico. La fracción mineral del suelo está constituida por partículas de 16 diferentes tamaños: arena (200-20 micras), limo (20-0 micras) y arcilla (menos de 2 micras). La cantidad de cada uno de los componentes de esta fracción varía de un suelo a otro y depende directamente del material de origen a la proporción relativa de arena, limo y arcilla expresada en porcentaje, se le conoce como textura del suelo. (24) 2.2.2 El perfil del suelo 2.2.2.1 Designación de los horizontes del suelo La designación de los horizontes del suelo, resume muchas observaciones de la descripción del suelo y da una impresión acerca de los procesos genéticos que han formado el suelo bajo observación. En este capítulo se presentan, la morfología del suelo y otras características descritas por horizonte. Los símbolos de los horizontes consisten de una o dos letras mayúsculas para el horizonte mayor y letras minúsculas para las distinciones subordinadas, con o sin figura de sufijo. Para la presentación y comprensión de la descripción del perfil del suelo, es esencial dar el símbolo correcto a cada horizonte. Horizontes y capas mayores, las letras mayúsculas H, O, A, E, B, C, R, I, L y W representan a los horizontes mayores o capas de suelos o asociados con suelos (imagen1). Las letras mayúsculas son los símbolos base a los cuales se añaden otros caracteres con el fin de completar la designación. A la mayoría de horizontes y estratos se les asigna una letra mayúscula, pero algunos requieren dos. Actualmente, se reconocen diez horizontes mayores y estratos, y siete horizontes transicionales. Los horizontes maestros y sus subdivisiones representan capas o estratos que muestran evidencia de cambio y algunos estratos que no han cambiado. La mayoría son horizontes de suelo genéticos, que reflejan una valoración cualitativa acerca del tipo de cambios que han sucedido. Los horizontes genéticos no son equivalentes a los horizontes diagnóstico, aunque pueden ser idénticos en los perfiles de suelos. Los horizontes diagnósticos son rasgos u objetos definidos 17 cuantitativamente con fines de clasificación. Se identificaron tres capas o estratos adicionales y que están relacionados con suelos, estos son: I para hielo, L para materiales límnicos y W para agua. a) Horizontes A Estos son horizontes minerales que se formaron en la superficie del suelo o por debajo de un horizonte O, en el que toda o parte de la estructura de la roca original ha sido desintegrada y están caracterizados por uno o más de los siguientes puntos: una acumulación de materia orgánica humificada íntimamente mezclada con la fracción mineral y que no despliega propiedades características de los horizontes E o B (ver abajo); propiedades resultado de la labranza, pastoreo, o tipos similares de perturbación; una morfología que es diferente del horizonte B o C subyacente, resultado de los procesos relacionados con la superficie. Si un horizonte superficial (o epipedón) tiene propiedades de ambos horizontes A y E, pero el rasgo dominante es la acumulación de materia orgánica humificada, se le denomina horizonte A. En algunos lugares, cuando prevalecen climas calientes y áridos, el horizonte superficial no disturbado es menos oscuro que el horizonte subyacente y contiene pequeñas cantidades de materia orgánica. Tiene una morfología distinta del horizonte o capa C, aunque la fracción mineral puede ser inalterada o solo levemente alterada por intemperización. Este tipo de horizonte se designa como A porque se encuentra en la superficie. Ejemplo de epipedones que tienen estructura o morfología diferente que deben esa característica a procesos superficiales son: los vertisoles, suelos en panes o playas con vegetación escasa, y suelos de los desiertos. Sin embargo, los depósitos aluviales o eólicos recientes que retienen estratificación fina, no son considerados como horizonte A, al menos que estos sean labrados. (25) 18 b) Horizontes B Estos son horizontes que han sido formados por debajo de un horizonte A, E, H u O, y en el que los rasgos o elementos dominantes son la obliteración o desintegración de toda o la mayoría de la estructura rocosa original, junto con una o la combinación de: concentración iluvial, individual o en combinación de arcilla silicatada, hierro, aluminio, humus, carbonatos, yeso o sílice; evidencia de remoción de carbonatos; concentración residual de sesquióxidos; revestimientos de sesquióxidos que hacen al horizonte conspicuamente bajo en valor, más alto en croma, o más rojo en el matiz que los horizontes suprayacente y subyacente sin aparente iluviación de hierro; alteración que forma silicatos de arcilla o libera óxidos o ambos, y que forma una estructura granular, blocosa o prismática, si los cambios de volumen acompañan cambios en el contenido de humedad; fragilidad, todos los tipos de horizontes B son o fueron originalmente horizontes subsuperficiales. Incluidos como horizontes B se encuentran las capas de concentración iluvial de carbonatos, yeso o sílice que son resultado de procesos pedogenéticos (estas capas o estratos pueden o no estar cementados) y capas frágiles que tienen otra evidencia de alteración, como la estructura prismática o la acumulación iluvial de arcilla. Algunos ejemplos de capas o estratos que no son horizontes B, son: capas en las que las películas de arcilla recubren fragmentos rocosos o se encuentran sobre sedimentos estratificados finos no consolidados, cuando las películas fueron formadas in situ o por iluviación; capas o estratos donde los carbonatos han sido iluviados pero que no son contiguos a un horizonte genético suprayacente; y capas con propiedades gléyicas, pero sin otros cambios pedogenéticos. (25) c) Horizontes o capas C Estos son horizontes o capas, excluyendo la roca madre dura, que han sido afectados por los procesos pedogenéticos de manera mínima y no poseen las propiedades de los horizontes H, O, A, E o B. La mayoría son estratos o capas minerales; sin embargo, se 19 incluyen algunos estratos silicios y calcáreos como conchas marinas, residuos corales y diatomáceos. El material de los horizontes C puede o no ser parecido a aquel que se formó en el solum. Un horizonte C puede haber sido modificado aún si no existe evidencia de ningún proceso pedogenético. Las plantas de las raíces pueden penetrar los horizontes C, proveyendo un medio de crecimiento importante. Se incluyen como horizontes C, los sedimentos, saprofita y la roca madre en estado no consolidado, así como otros materiales geológicos que se saturan comúnmente dentro de 24 horas cuando el aire se seca o cuando se sitúan trozos de secado dentro del agua y cuando el material rocoso en condición húmeda puede ser atravesado por una pala. Algunos suelos forman material que ya se encuentra altamente intemperizado; este material no reúne los requisitos de los horizontes A, E o B, por lo que se le designa como horizonte C. Los cambios que no se consideran pedogenéticos, son aquellos no relacionados con los horizontes suprayacentes. Los horizontes o capas que contienen sílice, carbonatos o yeso, aun si están cementados pueden ser incluidos como horizontes C, al menos que el horizonte esté afectado por procesos pedogenéticos; caso en el que sería considerado horizonte B. (25) 20 2.2.3 Propiedades físicas del suelo Los suelos contienen propiedades físicas las cuales son:  El color Generalmente los de color oscuro son más ricos en materia orgánica, mientras los colores pardos, rojizos y amarillentos indican que los suelos son bien aireados y no se encharcan, aquellos que presentan colores grises y manchados de verde azuloso indican que los suelos permanecen mucho tiempo encharcados. (26)  Textura Es la proporción de las distintas partículas minerales del suelo, clasificadas (figura 1) según su tamaño de grano en tres grupos: arenas, limos y arcillas, es decir, la textura de un suelo se define por las proporciones de arena, limo y arcilla que posee (arenas 2mm – 0,02 mm; Extraído de Galbraith, J.M. 2011. Revised 2014. Identifying/classifying buried soil horizons. Virginia Tech University. Imagen 1: Horizontes del suelo 21 limos 0,02 – 0,002, arcillas < 0,002mm). La textura es un factor muy importante en las características del suelo como la permeabilidad, aireación y la capacidad de retención del agua y de nutrientes. En función del tipo y tamaño de partículas presentes en un suelo, la capacidad de adsorción de moléculas polares e iónicas varía considerablemente. Otros efectos dependientes de la textura son la plasticidad y la cohesión. (26)  Tipos Cuando abundan mucho las partículas de tamaño arena se dice que el suelo tiene textura arenosa; si son los limos, textura limosa; y si son las arcillas, textura arcillosa. Un suelo con mezcla de los tres componentes se llama textura franca y es lo más beneficioso, pues un suelo que posea fracciones gruesas y finas en proporciones adecuadas es un suelo equilibrado, siendo ligero, aireado y permeable. Un suelo con textura predominante en cualquiera de las fracciones (suelo arenoso, arcilloso o limoso) siempre será deficiente por alguna causa, por ejemplo, el suelo arenoso no tiene capacidad de retener agua y el suelo arcilloso no tiene aireación y se encharca con facilidad al ser impermeable. Los materiales de tamaño superior a 2mm son las gravas (gravillas, cantos, guijarros…) detienen la ascensión capilar del agua, impidiendo la excesiva evaporación, también disminuyen la cohesión del suelo, por lo que tendrá mejor aireación y drenaje y será más fácil de trabajar. (26) 22 - Estructura del suelo Es la manera como se unen partículas para formar terrones, cuando las partículas están unidas en formas de láminas o lajas se dice que hay Fuente: USDA 2000 Figura 1: Clases texturales 23 estructura laminar, cuando forman columnas con los bordes redondeados se dice que la estructura es de columna y si estas tienen bordes angulosos, la estructura es prismática. Si las partículas del suelo se unen en forma de bloque de varios tamaños con bordes redondeados o angulosos, se dice que la estructura es blocosa. Cuando las partículas de suelo forman terrones pequeños y redondeados como gránulos, la estructura se dice que es granular. Se dice que no hay estructura cuando las partículas del suelo no forman terrones. Esto ocurre en aquellos suelos gredosos, en donde se forma una masa que no rompe en terrones y en los suelos arenosos, donde las arenas no están reunidas en granos pequeños. (26) - Porosidad del suelo Que está compuesta por los poros o pequeñas cavidades que existen en el suelo, por lo que en estas cavidades o poros penetran el aire y el agua. En los suelos que tienen partículas grandes como las arenas, los poros son grandes y el agua y el aire penetran fácilmente, pero también hay suelos que tienen partículas más pequeñas como las arcillas, los poros son muy pequeños por lo tanto agua y el aire no penetran con facilidad. El movimiento del agua y del aire a través del suelo, dependen de la porosidad de los mismos, característica que está determinada en gran medida por la estructura. La estructura granular proporciona la porosidad adecuada para la buena infiltración del agua y un excelente intercambio de aire entre el suelo y la atmósfera. Esto crea un medio físico ideal para el crecimiento de las plantas. Sin embargo, en los casos donde existe formación de costras en la superficie, capas de arcilla compactas u otro tipo de capas endurecidas superficiales, el crecimiento de las plantas se ve obstaculizado debido a una porosidad restringida. La aplicación de prácticas de manejo adecuadas puede mejorar la estructura del suelo y, por ende, crear mejores condiciones para la producción de cultivos. (26) 24 - Permeabilidad del suelo Es la facilidad con que el agua y el aire se mueven dentro de él, los suelos que se encharcan tienen permeabilidad muy lenta. (26) - Profundidad del suelo Hasta donde llegan, sin tropiezo, las raíces de las plantas en busca de agua y alimentos. Los tropiezos o limitaciones que encuentran las raíces para penetrar son capas endurecidas, piedras o rocas, agua de sales dañinas. (26) - Drenaje del suelo Es la rapidez con que los suelos se secan después de un aguacero. (26) 2.2.4 Tipos de suelo Se clasifican en:  Suelos arenosos: son aquellos suelos que no retienen el agua, al poseer poca materia orgánica nos son aptos para la agricultura. (38)  Suelos calizos: en estos suelos abundan las sales calcáreas, suelen ser de colores blancos y también áridos y secos, por lo tanto, no son buenos para la agricultura. (26)  Suelos fumíferos (también llamados tierra negra): son aquellos que poseen gran cantidad de materia orgánica en descomposición, son fantásticos para retener el agua y por lo tanto son excelentes para cultivar el agua.  Suelos arcillosos: estos suelos están formados por pequeños granos finos de color amarillo y retienen el agua en charcos, pero si son mezclados con humus pueden resultar muy efectivos para la agricultura. (26)  Suelos pedregosos: formados por toda clase de roca y piedras, al no retener el agua resultan pésimos para cultivar.  Suelos mixtos: es una mezcla de suelo arenoso y de suelo arcilloso. (26) 25 2.2.5 Metales pesados Los metales se definen en base a sus propiedades físicas en el estado sólido como son: alta reflectividad, alta conductividad eléctrica, alta conductividad térmica, propiedades mecánicas como fuerza y ductilidad. Otra definición más práctica, desde el punto de vista de la toxicidad, se basa en sus propiedades cuando están en solución: “metal es un elemento que bajo condiciones biológicas puede reaccionar perdiendo uno o más electrones para formar un catión”. Los metaloides poseen propiedades físicas semejantes a las de los metales y no metales, estos son el arsénico, germanio, antimonio, selenio y telurio. Los compuestos metálicos y metaloides se presentan en diferente estado de oxidación en agua, aire y suelo y presentan diversos grados de reactividad, carga iónica y solubilidad en agua. La definición rigurosa de metal pesado todavía no es establecida por los científicos y es tema de discusión y polémica. Una de sus definiciones se basa en la gravedad específica: “metal pesado es aquel metal con gravedad específica > 5 g/cm3”; sin embargo, esta definición no es útil respecto al estudio de los efectos toxicológicos que algunos metales tienen sobre el ambiente y los seres vivos, así que otra definición de metal pesado que se ha adoptado es “grupo de metales o metaloides asociados con contaminación y toxicidad potencial". (27) 2.2.6. Problemática de metales pesados en el ambiente La presencia de metales pesados en el medio ambiente es una gran amenaza para los seres humanos (28). Ya que el impulso de las actividades industriales, ha favorecido cada vez más la generación de residuos potencialmente tóxicos, que en altas concentraciones pueden tener efectos nocivos a la salud del hombre y desequilibrios ecológicos. Uno de los problemas más notables a nivel mundial, el cual ocupa un lugar sobresaliente, es la progresiva degradación de los recursos naturales, causada por la gran diversidad de contaminantes tóxicos orgánicos e inorgánicos en la atmósfera, agua, suelo y subsuelo, procedentes de diversas actividades naturales y sociales, generando un irremediable deterioro en el ambiente. (29) 26 Los metales se incluyen dentro de las substancias más persistentes emitidas al ambiente, los cuales tiene efectos importantes sobre los seres vivos. La exposición ambiental a los metales generalmente resulta en un continuo de respuestas biológicas que se da en todos los niveles de organización biológica. Estas respuestas pueden observarse desde alteraciones a nivel molecular, comprometiendo la salud del individuo, hasta poner en riesgo la salud del ecosistema. (30) Los desechos industriales y mineros son la principal fuente de contaminación ambiental por los metales pesados, como consecuencia se ha contaminado grandes áreas de tierra y agua con metales tóxicos, causando serios problemas ambientales y de salud. La contaminación ambiental ya es un problema mundial, los metales pesados pertenecientes a los contaminantes más importantes. (31) 2.2.7. Tolerancia de las plantas hacia los metales pesados La tolerancia hacia los metales pesados está representada por la habilidad de sobrevivir en un suelo que es tóxico a otras plantas, y se manifiesta mediante una interacción entre el genotipo y su ambiente (32), lo cual determina su sobrevivencia. Los mecanismos de tolerancia son en gran parte internos: los metales son absorbidos por plantas crecidas en sustrato metalífero, presentando una serie de adaptaciones fisiológicas y bioquímicas desarrolladas en varios grados para diferentes metales en diferentes especies y poblaciones. (33) 2.2.8. Absorción y transporte de metales en las plantas Los iones solubilizados en la zona de la raíz entran en ella gracias al movimiento del flujo del agua o por difusión entre la solución que hay dentro del apoplasto de la raíz y la circundante. La solución del suelo y los iones disueltos pueden entrar directamente por la vía simplástica (entrada dentro de las células) o apoplástica, en un flujo desde la epidermis hasta la Banda de Caspari a través del espacio libre intercelular. 27 La Banda de Caspari obliga a los elementos químicos a continuar el camino por la vía simplástica, es decir, a penetrar en el interior de las células vegetales. A nivel de la membrana celular la entrada de los iones (absorción) se produce de forma general mediante proteínas transportadoras. Aunque hay distintos tipos de transportadores de membrana, en el caso del arsénico hay dos que tienen un papel fundamental en su absorción: las acuaporinas y los transportadores de fosfato. Las acuaporinas son canales de entrada de agua, juegan un papel fundamental en la absorción de moléculas sin carga como glicerol, amoniaco y ácido bórico, silícico y arsenioso. (34) Mientras, los transportadores de fosfato pueden permitir la entrada de metales en muchas especies vegetales, esta forma tiene una alta afinidad por los grupos - SH y suele ser complejada y almacenada en la vacuola, pero también puede transportarse. El transporte xilemático de los metales tiene gran importancia porque va a determinar la distribución y localización de los metales en la planta. El fosfato es un anión altamente móvil en planta, por lo que ayuda a los metales a estar movilizados. Existe una clasificación realizada en función de la concentración de elemento traza que se encuentra en la parte aérea de las plantas. (33) a) Plantas exclusoras: son aquellas que restringen la llegada del elemento en cuestión a la parte aérea, por lo que su concentración es baja. Cuando la concentración de tóxico en el medio es demasiado alta, la planta no puede excluirlo y se refleja una subida repentina de su concentración, lo que suele causar efectos drásticos sobre la planta. b) Plantas indicadoras: la concentración de elemento en parte aérea es proporcional a la que hay en el suelo. c) Plantas acumuladoras: aquellas que muestran una concentración elevada de elemento traza en la parte aérea, mayor que la del suelo en que viven. Especialmente llamativo es el caso de las especies hiperacumuladoras. Se han establecido varios criterios para definir la hiperacumulación de un 28 elemento, pero básicamente tienen en común la concentración inusualmente alta en parte aérea de elementos traza. (35) Las características más comunes para declarar una planta como hiperacumuladora son: a) Que la concentración de elemento en parte aérea sea alta, en el caso del As> 0,1% b) Que la concentración en parte aérea sea 1 O - 500 veces mayor que la de la misma planta en ambientes no contaminados. c) Que la ratio de las concentraciones del elemento en parte aérea y raíz sea > 1. Recientemente se ha lanzado la hipótesis de que la acumulación de elementos traza en parte aérea podría ser un mecanismo de defensa frente a sus enemigos, especialmente herbívoros, ya que dichas plantas serían menos atractivas para su consumidor o incluso causarían su muerte. (36) Fuente: Taiz y Ziegler, 2002. Figura 2: Estructura de la raíz vegetal – Vías de absorción 29 2.2.9. Factores que afectan a la disponibilidad de los metales pesados en las plantas Estos factores están relacionados con la meteorización química de la roca madre (37). La solubilidad de los elementos pesados puede estar afectada por las características presentadas por estos y las condiciones medio ambientales. a) El pH El pH del suelo es el factor principal que condiciona los procesos de adsorción en el suelo y la actividad de los metales, por lo que afecta la adsorción de cadmio, cobre y plomo (38). Este efecto ha sido explicado por diversos mecanismos como precipitación, la hidrólisis metálica, adsorción de metales, la competencia de los cationes metálicos por los sitios de intercambio (39), la ionización de grupos superficiales, el desplazamiento del equilibrio en las reacciones de complejación superficiales, la competencia con H3O+ y Al3+ por lo sitios negativos y los cambios en la especiación metálica (40). Además, generalmente, los metales quedan retenidos en el suelo a pH básicos, mientras que a pH ácidos los metales están más solubles siendo, por lo tanto, mayor su disponibilidad para las plantas (37), excepto algunos metales, como el arsénico, selenio y cromo hexavalente, más biodisponibles a pH básicos. (41) b) Intercambio catiónico Los suelos se caracterizan por presentar un sistema coloidal a través del cual puede retener cationes en su superficie (42). De acuerdo con el principio de electro-neutralidad, las cargas negativas en la superficie de los coloides son neutralizadas por una cantidad equivalente de cationes en la solución suelo, los que pueden quedar adsorbidos o retenidos (43). Esta adsorción de cationes por el suelo es denominada “adsorción no específica”, que se caracteriza cuando el ion es atraído electrostáticamente por las superficies cargadas de la fracción coloidal del suelo, sin que haya una dependencia de configuración electrónica con el grupo funcional de la 30 superficie del suelo, formando complejos llamados de esfera externa (44). La cantidad de iones que pueden ser adsorbidos de forma intercambiable en el suelo se llama capacidad de intercambio catiónico. En la mayoría de los casos existe selectividad o preferencia de un catión por otro, por lo tanto, es un proceso competitivo y reversible (44). En general, la adsorción de los metales a las partículas del suelo reduce la concentración de los metales en la solución del suelo. Así, un suelo con una capacidad de intercambio catiónico alta, tiene más sitios de intercambio en la fracción coloidal del suelo, los que estarán disponibles para una mayor adsorción y posible inmovilización de los metales. (45) c) Adsorción específica La adsorción específica se produce por la afinidad de algunos cationes metálicos por un sitio particular de adsorción, por esta razón los metales son adsorbidos específicamente en cierto orden de preferencia, por ejemplo, Cd 50 años). Esto significa que un consumo poco frecuente de un alimento conteniendo alto Cd que crece en un suelo contaminado por Cd tiene 33 menos efecto que el consumo de por vida de alimentos moderadamente contaminados. Por estas razones, el riesgo de contaminaciones de Cd en los suelos puede ser bajo si hay suficiente “dilución” con productos alimenticios que crecen en otra parte. El Cd del suelo es un riesgo si las personas usan el mismo suelo para cultivar sus principales productos alimenticios por un apreciable tiempo de su vida. (48) 2.2.11. Emisiones de cadmio al suelo El cadmio es enriquecido por las actividades humanas vía deposición atmosférica y a través de aplicaciones de fertilizantes fosfatados y lodos de depuradora. El cadmio de las minas, producción, uso y disposición son una fuente neta de Cd que puede finalizar en el suelo. Más del 80% del consumo de Cd común es usado para la producción de baterías recargables (49). Otros usos tales como estabilizadores de PVC, pigmentos y enchapados han disminuido drásticamente como resultado de regulaciones ambientales. La Oficina Mundial de Estadística de Metales (49), estimó que el consumo anual mundial de Cd fue casi 18 000 toneladas en el 2008, que fue 10-20% más bajo que en 1991. El consumo de Cd aumentó en China mientras que disminuyó en los países occidentales. El uso reducido de Cd y el cambio en uso de baterías que son mayormente recicladas han disminuido generalmente las emisiones de Cd al agua y a los lodos de depuradora en el mundo occidental. (50) La contribución de los fertilizantes fosfatados al Cd en el suelo ha conducido lógicamente a proyectos para limitar el Cd en fertilizantes fosfatados. Un modelo de balance de masas ha sido usado para estimar concentraciones de Cd permisibles en los fertilizantes, es decir, concentraciones en las cuales estén balanceadas las pérdidas anuales a las entradas, y las concentraciones de Cd en el suelo no se incrementen posteriormente. Una evaluación utilizando el modelo de balance de masas, mostró que en 100 años de uso continuo de fertilizantes fosfatados con una relación promedio de alrededor de 140 mg Cd/kg P (60 mg Cd/kg P2O5) 34 podría incrementar el Cd en el suelo en 20%. Esto podría incrementar el Cd en los canales alimenticios en casi el mismo factor si es que no se observa una fijación pronunciada de Cd. (51) 2.2.12. Reacciones del cadmio en los suelos El cadmio en los suelos está casi invariablemente presente en el suelo en el estado de oxidación Cd(II). No es un metal de transición. Participa en enlaces covalentes con superficies adsorbentes y, es por lo tanto, menos soluble que cationes como el Ca+2. (48) El cadmio es un contaminante ambiental que puede ser fácilmente absorbido por las plantas y puede entrar a los canales alimenticios, causando riesgo a la salud humana. También puede afectar la calidad del suelo y, si el fácilmente lixiviado tiene el potencial para contaminar aguas y tierras superficiales. La adsorción y desorción son procesos críticos que controlan la fitodisponibilidad y movilidad del cadmio en los suelos. Los autores proponen el análisis de los mecanismos de histéresis de la adsorción y desorción del cadmio en los suelos y factores tales como el pH, la fuerza iónica, el índice de cationes, la presencia de otros cationes metálicos pesados, aniones inorgánicos, ligantes orgánicos, tasa de carga de cadmio, y el tipo y cantidad de materia orgánica y coloides inorgánicos que influyen en estos procesos. (52) Las concentraciones de Cd en soluciones de suelo no contaminados (Cd total  0.2 mg Cd/kg) en el rango de pH neutro es < 0.1 – 5 µg.L-1. Esto significa que solo una pequeña fracción del Cd total está presente en la solución suelo y la pérdida anual de Cd por lixiviación son generalmente imperceptibles. El mecanismo de enlace preciso de Cd en el suelo es casi imposible detectar con técnicas espectroscópicas comunes en concentraciones ambientalmente relevantes. Por lo tanto, los datos de solubilidad o extracción química son usados para inferir indirectamente el mecanismo de enlace de cadmio (53) . Se sugirió que la adsorción y no la precipitación controlan el Cd en solución en concentraciones 35 ambientalmente relevantes en el suelo (0.1 – 10 mg/kg); el Cd en solución incrementa casi proporcionalmente a la adición de Cd, mientras que las reacciones de precipitación podrían inferir las constantes de concentración en solución con el incremento de adiciones de Cd. La precipitación es improbable que controle la solubilidad del Cd a menos que sea excesiva la contaminación de Cd y el pH sea mayor de 7.0. Por ejemplo, el producto de solubilidad del CdCO3 (Kps = 10-12), la forma de Cd posiblemente más insoluble en suelos aeróbicos, predice que el Cd precipita en suelos calcáreos a pH 8.5 solo sobre 55 µg Cd+2.L-1. Las reacciones de adsorción y complejación en solución en un suelo reducen típicamente el Cd+2 a ese pH a < 10 µg.L-1 para los suelos que tengan 10 mg Cd/kg. Esto significa que las concentraciones de Cd en el suelo deberían exceder > 100 mg Cd/kg para que esta reacción de precipitación pueda presentar valores muy superiores al rango de concentraciones de Cd en el suelo. (48) La materia orgánica del suelo, los oxihidróxidos de Fe, Al y Mn y los minerales de arcilla son los tres principales adsorbentes de Cd en el suelo. Los protones son los principales cationes que compiten por la adsorción de Cd en la materia orgánica u oxihidróxidos debido al enlace del Cd+2 a átomos de oxígeno superficiales de grupos carboxílicos o fenólicos de sustancias húmicas o a grupos hidroxil superficiales en oxihidróxidos. Una ecuación de adsorción general podría ser: S-OH + Cd+2 = S-OCd+ + H+ En donde, S-OH es el grupo hidroxil superficial. Esta ecuación simplificada predice que el incremento de H+ disminuye drásticamente la adsorción. Las constantes de adsorción de Cd+2 para ácidos húmicos (la fase adsortiva principal de la materia orgánica del suelo) y de los hidróxidos de Fe ilustran que las órdenes de magnitud del Cd+2 son más selectivas que el Ca+2. La selectividad Cd+2/Ca+2 para la adsorción en minerales de arcilla es típicamente menos de 5 en condiciones normales, por lo tanto, es poco probable que los minerales de arcilla sean importantes adsorbentes para el 36 Cd en la mayoría de los suelos. Los modelos de especiación predicen que la mayor parte del Cd está enlazado a la materia orgánica en los suelos con pH < 6.5 mientras que los óxidos de Fe son los más importantes constituyentes adsorbentes a pH > 6.5 (54). 2.2.13. Transferencia del cadmio en el sistema suelo – planta El cadmio no tiene un rol fisiológico conocido en las plantas superiores, pero es fácilmente absorbido del suelo y es translocado a los tejidos aéreos de la planta (55). Se reportan tres principales caracteres de absorción de Cd: a) Biodisponibilidad relativamente alta Las concentraciones de Cd en el cultivo son mayores que las concentraciones de Cd en el suelo. b) Absorción no regulada La absorción de Cd no está regulada por límites fisiológicos (demanda de la planta) y la absorción de Cd no incrementa con el incremento de concentraciones de Cd en el suelo. Estudios experimentales reportan que el Cd administrado como sales de Cd+2, mostraron que la absorción incrementó linealmente con el Cd en el suelo con tal que las otras propiedades del suelo permanecieran constantes. (56) c) La biodisponibilidad de Cd varía bastante y las concentraciones de Cd total en el suelo predicen pobremente la absorción de Cd En condiciones de idéntico Cd total en el suelo, el Cd en el cultivo varía en más de 10 veces. El Cd total en el suelo explica menos del 50% de la varianza de las concentraciones de Cd en el cultivo (25). Esto significa que las concentraciones totales de Cd en el suelo son pobres predictores del riesgo de Cd. Los datos de concentraciones de cadmio en los cultivos y los suelos asociados generalmente muestran que las concentraciones de cadmio en el cultivo se incrementan con la concentración total de cadmio y con la 37 disminución del pH y, en algunos casos, con la disminución del porcentaje de materia orgánica con cadmio total constante. (57) Los estudios de la química del suelo y fisiología de la planta han revelado los principales mecanismos que explican la variable biodisponibilidad de cadmio entre los suelos (58). Estudios de absorción de iones de corto tiempo con raíces demostraron que el cadmio es activamente absorbido y sigue un patrón dependiente de la concentración similar a la cinética de una enzima. Desde que la mayoría de las concentraciones de cadmio están debajo de la llamada constante de Michaelis, la absorción se incrementa casi proporcionalmente con el incremento de las concentraciones en solución. Similarmente, las concentraciones de los tejidos de las plantas se incrementan conforme las concentraciones en el suelo se incrementan. Este patrón está basado en el uso del concepto de Factor de Bioconcentración (FBC), también denominado concepto de Factor de Transferencia (FT) en evaluación de riesgo; es decir, una relación constante de concentración en el tejido: concentración en el suelo. En el ambiente, el FBC o FT varía debido a la diferente biodisponibilidad de cadmio. La biodisponibilidad de cadmio está relacionada a diferencias en la especiación del metal o metaloide, efectos interiónicos sobre la absorción de iones del agua en los poros y de los efectos indirectos de las propiedades del suelo sobre la translocación dentro de la planta.(48) 2.2.14. Efectos del cadmio en la salud humana El cadmio es uno de los metales más solubles del suelo y peligrosos, debido a su alta movilidad. Es soluble en estados oxidados y tiene propiedades parecidas a las del zinc, con el cual se encuentra asociado en diversos minerales. Las fuentes de contaminación con cadmio son: extracción minera de cadmio y zinc, procesamiento de metales, aplicación de fertilizantes fosforados. Estas fuentes liberan cadmio que es asimilado por las plantas y animales y así entra en los alimentos. 38 El cadmio tiene una vida media, de unos 15 años. La mayor parte se deposita en el hígado y en los riñones, y se elimina esencialmente por la vía renal. La ingesta oral ocasiona náuseas, vómitos, diarreas y dolores abdominales. La absorción por vía respiratoria puede producir desde un cuadro de hipertermia, ("fiebre de los metales") hasta una neumonitis química y un edema agudo de pulmón, que incluso puede ser mortal. Las concentraciones máximas permisibles de cadmio son de 5 ug/L en la sangre y de 5 ug/g de creatinina en orina. 2.2.15. Riesgo ambiental – movilidad y biodisponibilidad de metales Las formas químicas en las que se encuentran los metales en el suelo y en gran medida la movilidad y biodisponibilidad que presentan viene determinada por el conjunto de los diferentes componentes del suelo, así como los factores químicos, físicos y biológicos que influyen en la reactividad de esos componentes (59). El elemento traza de un suelo se reparte entre una fracción soluble en agua, en posiciones intercambiables de arcillas y materia orgánica, unidos a óxidos, carbonatos, sulfatos y fosfatos complejados en materia orgánica y dentro de las redes cristalinas de la fracción residual. (60) (Figura 3). El equilibrio de los metales entre los diferentes componentes del suelo viene regulado por una serie de procesos bióticos y abióticos que gobiernan su comportamiento y determinan su permanencia en un compartimento u otro, es decir, su especiación biogeoquímica. Ello provoca una dinámica e intercambio de elementos entre las diferentes fases que mantiene un sistema de cuasiequilibrio bajo condiciones de campo. (60) 39 Los procesos que gobiernan la compartimentalización de metales en los suelos se traducen en reacciones de adsorción-desorción y precipitación- disolución, que afectan directamente al reparto de metales entre la fase sólida y acuosa, así como reacciones de complejación y oxidación- reducción que afectan a la reactividad del propio metal (solubilidad y biodisponibilidad) (61). Estas reacciones están controladas por factores ambientales como el pH, la capacidad de intercambio de cationes (CIC), el potencial rédox y el propio tipo y especiación química de los elementos (21). El pH se considera el factor dominante en el comportamiento de metales, ya que afecta a la carga de superficie de las arcillas, la materia orgánica y los óxidos de Fe y Al e influye en la complejación de los metales con la materia orgánica, en las reacciones de precipitación-disolución, reacciones rédox y dispersión de coloides. Un incremento de pH provoca un incremento de la adsorción y retención de cationes, con un máximo en torno a la neutralidad (62). Excepciones son el Mo, V, Cr(III) y metaloides como el As y el Se, comúnmente menos móviles bajo condiciones ácidas (9). En el caso del Cd, el incremento de la solubilidad con el descenso del pH comienza a un pH de 6,5. En el Pb y Hg comienza a valores de pH 4, mientras que en otros elementos como As, Cr, Ni y Cu comienza a solubilizarse a pH entre esos dos valores extremos. (63) Figura 3: Comportamiento de los metales pesados en el suelo Fuente: López Arias y Grau Corbi, 2004 40 La CIC de los suelos es ampliamente dependiente de las superficies de adsorción determinadas por la cantidad y tipo de arcillas, materia orgánica y óxidos de Fe, Al y Mn. En general, cuanto mayor es el contenido en arcilla, mayor es la CIC y por tanto mayor es la cantidad de metales que pueden ser retenidos sin peligro potencial, ya que se limita la solubilidad y movilidad de los metales intercambiados. Las arcillas 2:1 (montmorillonita y vermiculita), además, tienen valores mucho más altos de CIC que las 1:1 (caolinitas) (42). La capacidad de adsorción de los óxidos de Fe, Al y Mn también puede jugar un papel importante en el control de la inmovilización de metales en los suelos y sedimentos (64). En adición, algunos metales pesados, como Co, Cu, Hg, Ni, Pb y Zn exhiben afinidades bastante altas con la materia orgánica, formándose complejos solubles e insolubles. La materia orgánica tiene tanto la propiedad de intercambio de cationes como la capacidad de complejación. La atracción selectiva de cationes es menos reversible que en el caso de las arcillas debido a la formación de enlaces pH- dependientes sobre las superficies de carga variable y a la complejación con los grupos funcionales existentes. Los procesos de complejación ocurren como una reacción de intercambio con las moléculas de agua coordinadas, que son intercambiadas por algunos ligandos, y que puede ser descrita mediante el principio de los ácidos y bases fuertes y débiles de Lewis (65). Los protones y todos los cationes metálicos de interés en la disolución del suelo son ácidos de Lewis (66), mientras que las bases de Lewis incluyen H2O, oxianiones como OH-, SO4 –2, PO4 –3, COO-, CO3 –2, F-, NO3 – y compuestos orgánicos de N, S y P donadores de electrones. Según el principio de Lewis, las bases fuertes prefieren complejarse con ácidos fuertes, mientras que las bases débiles prefieren complejarse con ácidos débiles, bajo condiciones comparables de fuerzas ácido-base (67). Estas uniones son mucho más fuertes debido a que los iones penetran en la estructura cristalina y son unidos por enlaces covalentes vía átomos de O o grupos OH. El contenido de humedad de los suelos es otro factor importante que gobierna la especiación de metales y su movilidad a través de reacciones de oxidación-reducción. Bajo condiciones reductoras se pueden formar 41 sulfuros de metales, que son bastante insolubles, por lo que la movilidad y biodisponibilidad son considerablemente menores que las esperadas bajo condiciones oxidantes. El análisis de una disolución extraída de un suelo tratado con lodo indica, por ejemplo, el descenso de la solubilidad de Cd, Cu y Zn y el incremento de la solubilidad de Mn y Fe bajo condiciones reductoras (68). Por otro lado, se sabe que la naturaleza química de las superficies minerales es el factor más significativo que contribuye a la retención/movilidad de contaminantes, y esas propiedades son generalmente consideradas invariables durante el tiempo de exposición y reacción del contaminante. Algunos estudios demuestran, sin embargo, que la superficie química mineral se modifica ampliamente por cambios en el estado de oxidación del Fe en la estructura cristalina mineral, suponiendo un gran impacto en el ambiente químico. La actividad rédox de la superficie mineral afectará al estado de oxidación, y consecuentemente a la especiación y comportamiento químico, de los metales iónicos de la fase acuosa sensibles a las reacciones rédox (como por ejemplo el Cr, que puede pasar de Cr6+ a Cr3+, menos móvil y peligroso y que puede precipitar como óxido). Las variaciones en la oxidación-reducción deben desempeñar sobre los compuestos adsorbentes sensibles a las reacciones rédox, por tanto, cambios químicos in situ durante cortos períodos de tiempo que produce diferencias vitales en la especiación y reactividad de todos los componentes en el sistema suelo-agua. (9) Finalmente, ciertas propiedades físico-químicas de los propios elementos, como su electronegatividad, el potencial iónico, radio iónico y diámetro del ion hidratado en disolución acuosa, presentan igualmente influencia sobre el comportamiento biogeoquímico de los metales. La electronegatividad influye en el orden por el cual los metales pesados son adsorbidos en los constituyentes del suelo, de manera que aquellos metales más electronegativos tienden a formar fuertes uniones covalentes con átomos de oxígeno en la superficie. Para algunos metales divalentes, las preferencias de unión podrían ser: Cu>Ni>Co>Pb>Cd>Zn>Mg>Sr (9). Sin embargo, la fuerza de unión está influenciada también por el potencial iónico (relación carga/radio), generando un patrón diferente: 42 Ni>Mg>Cu>Co>Zn>Cd>Sr>Pb (9). Los metales traza trivalentes Fe+3 y Cr+3 podrían ser preferentemente adsorbidos, en cualquier caso, en presencia de los metales divalentes listados anteriormente. De la misma manera, cabe comentar que los óxidos de Mn muestran una preferencia particularmente fuerte por la adsorción de Cu, Ni, Co y Pb, mientras que los óxidos de Fe y Al adsorben preferencialmente Pb y Cu.