La creciente consideración del cadmio en la agricultura, debido a su incorporación en tejidos vegetales y posterior consumo por parte de los humanos y animales, y el efecto negativo que tiene este elemento químico sobre la salud humana, ha llevado a un incremento en las investigaciones sobre este elemento químico y su relación con la agricultura. Un punto de inflexión en esta problemática fueron las regulaciones presentes en muchos países relacionadas con la cuantificación de niveles de cadmio en productos agrícola para autorizar o no la comercialización e importación de éstos, lo cual prácticamente obliga a todo productor agrícola, a tener el mayor conocimiento posible del cadmio en la agricultura.
- ¿Qué es el cadmio?
El cadmio es un elemento químico, agrupado como metal, de número atómico 48 y símbolo químico Cd. Generalmente se encuentra en estado natural asociado al zinc, cobre o plomo, por lo cual los mayores niveles de extracción son el resultado de desperdicios de la extracción de cualquiera de estos minerales, considerándose muchas veces como un subproducto de la extracción de zinc, cobre o plomo. Es dúctil, más maleable que el zinc. A nivel industrial el mayor uso del cadmio es en la elaboración de baterías de cadmio-níquel. También es utilizado en la elaboración de pigmentos y reactivos químicos que se aplican a vidrios, porcelanas y pinturas fluorescentes, así como en la elaboración de plásticos como PVC. También es utilizado en el galvanizado y en la industria pirotécnica para la obtención de ciertos colores. El cadmio se agrupa dentro de los metales pesados, los cuales se definen como elementos de alta densidad que resultan tóxicos al ser humano.
- Cadmio y salud humana
La exposición que puede tener el ser humano al cadmio se da bien sea por inhalación o por ingestión. Se da por inhalación al respirar aire con altas concentraciones de cadmio, lo cual de ocurrir no está relacionado con la agricultura sino con actividades de industrias específicas, por lo cual esto no se discute en el presente artículo. Lo más relacionado que pudiera estar este caso con la agricultura, es la inhalación de cadmio de fumadores que usan cigarrillos elaborados con tabaco en cuyas hojas pudieran concentrarse cantidades apreciables de este elemento químico. La otra forma de exposición es por ingestión, la cual sí está relacionada con la agricultura, ya que se da al ingerir alimentos (de origen animal o vegetal) o agua con altas concentraciones de cadmio. En este caso se producen irritaciones graves en el estómago, lo cual conduce a vómitos y diarreas y eventualmente la muerte. La ingestión de niveles bajos de cadmio durante un período prolongado ocasionará la acumulación de este elemento químico en los riñones, pudiendo llegar a dañarlo completamente en su función, afectando también al hígado. La acumulación de cadmio en el cuerpo humano ocasionará fragilidad en los huesos, adicionalmente, el cadmio ha sido catalogado como carcinogénico. Aun cuando no se conoce como pudiera afectar el cadmio en el desarrollo del feto, sí se han reportado en animales de laboratorio expuestos al cadmio antes de nacer, efectos adversos sobre el sistema nervioso que generaron alteraciones de comportamiento y aprendizaje. También existen reportes de bajo peso corporal en las crías de madres expuestas al cadmio durante la preñez, así como problemas en el desarrollo de sus huesos. Ante estas evidencias de los efectos nocivos que tiene el cadmio sobre la salud humana, las instituciones encargadas de protección ambiental, salud humana y ocupacional se han abocado a generar directrices que permitan protocolos confiables en la determinación de cadmio en tejidos así como definir rangos máximos permisibles de contenido de cadmio en productos de consumo (agua y ciertos alimentos) para minimizar la exposición del ser humano al cadmio, así por ejemplo, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) ha establecido el límite máximo semanal de ingesta de cadmio en los seres humanos en 2,5 μg / kg. de peso corporal, como nivel máximo sin que aparezcan efectos adversos en el organismo. Así mismo, establecen límites máximos de contenido de cadmio en distintos alimentos, variando desde 0,05 mg. de cadmio por kilogramo de peso fresco de producto en frutas, hasta 1 mg. de cadmio por kilogramo de peso fresco en riñones de bovinos, cerdos y ovejas. Estos son niveles máximos permisibles para colocar algún alimento en el mercado europeo para consumo humano.
3. Relación entre cadmio y agricultura
El cadmio es un metal pesado que puede presentarse en la atmósfera en forma de partículas en suspensión en el aire debido a emisiones volcánicas, erosión de rocas, actividades antropogénicas como actividades industriales en la metalurgia, uso de combustibles fósiles, y quema de residuos orgánicos. Las partículas en suspensión en algún momento se posarán sobre el suelo o sobre cuerpos de agua, dándose así la incorporación de cadmio a la solución del suelo de la que se nutren las plantas. La erosión hídrica contribuirá en mayor medida al incremento de cadmio en la solución del suelo, pero quizás el mayor aporte de cadmio al suelo se da por el abonamiento. Entre los fertilizantes mas utilizados están los fosfatados para suplir las necesidades de fósforo de los cultivos. Estos provienen fundamentalmente de roca fosfórica la cual además de tener grandes concentraciones de fósforo, tiene también contaminantes entre los que destaca el cadmio, es decir, al fertilizar con abonos fosfatados se está incorporando cadmio al suelo. También los lodos de depuradora, cuando son utilizados como abono, pueden ser fuente de cadmio en el suelo.
Sea cual sea el origen del cadmio en el suelo, una vez allí se da una interacción similar a la que tienen otros elementos químicos con la fase sólida del suelo y con la solución del suelo. Es decir, podrá ser parte de la solución del suelo (fundamentalmente como ión) o formando complejos con otras sustancias, podrá ser adsorbido por las arcillas del suelo.
En el proceso de nutrición mineral de la planta, uno de los mecanismos que la planta usa para adquirir los elementos químicos que requiere es el flujo de masas, en el cual la corriente transpiratoria crea un potencial hídrico logrando que lo que esté en la solución del suelo se introduzca a la planta a través de las raíces. Por supuesto, el flujo de masas logra introducir a la solución del suelo sin evitar incorporar moléculas distintas a los macro y micronutrientes que requiere la planta para completar su ciclo vital, por tanto, si en la solución del suelo hay cadmio, una planta que se esté nutriendo de esa solución de suelo mediante flujo de masas estará llevando hasta sus células cadmio. El cadmio no tiene ninguna función en la célula vegetal, por tanto en caso de ingresar hasta la célula simplemente se acumula, aunque también puede ser transportado dentro de la planta, fundamentalmente mediante transportadores de calcio, zinc y hierro. Ya dentro de la célula se acumula en las vacuolas. La acumulación de cadmio en la planta, se da, en orden decreciente, en células de la raíz, tallo, hoja, fruto y semilla, lo cual indica que la translocación del cadmio en la planta es escasa. El cadmio es tóxico a las plantas así como al resto de seres vivos. En plantas, el cadmio afecta la entrada, transporte y utilización del agua y de elementos esenciales, fundamentalmente calcio, magnesio, fósforo y potasio; lo cual conlleva a desequilibrios hídricos y nutricionales, como consecuencia de alteraciones en la fotosíntesis y la transpiración (esto por alteraciones en la apertura estomática). La acción del cadmio en la planta es similar a la del plomo, ya que ninguno de los dos metales propicia lo que sí hacen otros metales pesados que es la generación de especies de oxígeno reactivo (ROS) o radicales libres. Aunque el cadmio no genera ROS sí puede considerarse prooxidante, ya que disminuye las defensas antioxidantes que normalmente produce la planta. El estrés oxidativo que produce el cadmio se evidencia por daños oxidativos en proteínas y en membranas, especialmente membrana citoplasmática y membrana del cloroplasto, lo cual atenta directamente contra la integridad de la célula y del cloroplasto. Se han identificado varias estrategias de las plantas para tolerar al cadmio, todas enmarcadas bien sea en evitar o reducir el transporte de este elemento al interior de la célula o a secuestrar los átomos de este elemento químico. La reducción del transporte del cadmio se logra inmovilizándolo, así pectinas y carbohidratos extracelulares como calosa que generan mucílago, inmovilizan al cadmio en la superficie de las células de la raíz impidiendo así su entrada a las células vegetales. Los átomos de cadmio que ingresen a la célula, pueden ser secuestrados por ácidos orgánicos o aminoácidos o péptidos como fitoquelatinas y metalotioneínas. Hasta el momento se ha identificado a las fitoquelatinas como el principal mecanismo de defensa que tienen las plantas contra el cadmio. Las fitoquelatinas se enlazan al cadmio y el compuesto químico resultante se aísla en la vacuola celular. Las fitoquelatinas se sintetizan a partir de glutatión, con la participación de la enzima fitoquelatina sintasa. Si bien es cierto que los mecanismos conocidos de defensa de las plantas contra el cadmio no impiden las altas concentraciones de este elemento en tejidos vegetales (pues lo que impiden es que el cadmio circule libremente por la planta), la identificación de especies de plantas con estos mecanismos permite la fitoextracción del cadmio del suelo, es decir, la fitorremediación.
Se ha hecho urgente resolver el problema del cadmio en los suelos agrícola, ya que esta vía es la más sencilla y más común para que átomos de cadmio terminen en el organismo humano generando los efectos adversos sobre la salud ya descritos, puesto que la planta toma el cadmio de la solución del suelo, el cadmio queda en la planta y de esta manera ya queda integrado a la cadena trófica, puesto que el humano al alimentarse de esta planta estará ingiriendo cadmio, o un animal al ingerir esta planta o productos de esta planta estará ingiriendo cadmio, los cuales pueden llegar al ser humano si éste ingiere alimentos obtenidos de dicho animal, especialmente si ingiere sus riñones o su hígado, órganos donde naturalmente se acumulará el cadmio en los organismos animales.
Abordar este problema implica dos escenarios: 1. ¿Qué hacer con los suelos agrícolas contaminados con cadmio?, 2. ¿cómo evitar o disminuir la contaminación de suelos agrícolas con cadmio?. El primer escenario requiere de extraer el cadmio de los suelos, lo cual es económicamente viable solo con cultivos hiperacumuladores de cadmio, que puedan sobrevivir a altas concentraciones de cadmio gracias a sus mecanismos de tolerancia a este elemento químico. Para que esto sea viable, se necesitan especies vegetales que no solo posean los mecanismos de tolerancia a cadmio, sino que también tengan una gran biomasa para que así la extracción sea significativa. Se han identificado especies que poseen mecanismos de tolerancia al cadmio, como las del género Arabidopsis, pero su biomasa es muy pequeña como para pensar que sembrando esta planta en suelos contaminados se pueda lograr una alta extracción de cadmio. Es por esto que se está explorando lograr plantas genéticamente modificadas, plantas transgénicas, de especies con una alta biomasa con la capacidad de sobreexpresar genes de tolerancia al cadmio, y así lograr plantas con una capacidad de hiperacumular cadmio, es decir, con la capacidad de extraer grandes cantidades de cadmio del suelo (Shah y Nongkynrih, 2007).
En cuanto al segundo escenario, de cómo evitar o disminuir la contaminación de suelos agrícolas con cadmio, es necesario reconocer cuales son las fuentes de cadmio en el suelo. Se mencionó que el cadmio en suspensión en el aire en algún momento caerá al suelo, también se mencionó que la fuente de cadmio en suspensión son erupciones volcánica y emisiones industriales. Evidentemente nada se puede hacer para controlar las erupciones volcánicas, pero sí se puede trabajar sobre las emisiones industriales. Hay que identificar los procesos industriales críticos que generan cadmio, para investigar la posibilidad de controlar estas emisiones, investigar la posibilidad de atrapar el cadmio antes que salga a la atmósfera. De no ser posible esta alternativa, hay que definir modelos de deposición de cadmio en los suelos circundantes a plantas industriales en que se den este tipo de emisiones, que permitan predecir en qué zonas geográficas habrá deposiciones de cadmio y así tomar las previsiones correspondientes. Sin embargo, la mayor cantidad de cadmio en los suelos no proviene del cadmio en suspensión en el aire, proviene del uso de fertilizantes fosfatados. Estos fertilizantes se elaboran, en gran medida, partiendo de la roca sedimentaria fosforita. En términos simples esta roca se extrae, se pulveriza, se tamiza y se empaca como fertilizante fosfatado. Pero la fosforita puede contener cantidades apreciables de cadmio, por lo tanto al empacar fertilizante fosfatado hecho de esta manera, también se está empacando cadmio. Al incorporar fertilizante fosfatado al suelo en labores de abonamiento, también se estará incorporando cadmio. Ante esta situación, ya existen propuestas de regulaciones de contenidos máximos de cadmio en los fertilizantes fosfatados. Estas regulaciones con seguridad incentivarán la investigación para extraer el cadmio, o minimizar su contenido, antes de empacar lo que resulta la pulverización de la fosforita. Ante todas estas necesidades de investigación, se hace necesario que los laboratorios de suelos, agua y tejidos incorporen como análisis de rutina la determinación de cadmio. Sin duda alguna que la investigación científica podrá dar aportes importantes a la solución de estos problemas, sin embargo sería requerido que los Estados coloquen estas investigaciones como prioridades, pues están involucradas dos de los atributos más sensibles en cualquier sociedad: alimentación y salud.
Referencia bibliográfica citada
Shah, K., Nongkynrih, J.M. 2007. Metal hyperaccumulator and bioremediation. Biologia Plantarum 51:618-634.
Ing. Agr. Hernán E. Laurentin T. (M. Sc., Ph. D.)
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