Resumen: - En la actualidad existe una gran preocupación por la contaminación de suelos agrícolas debido a la presencia de metales pesados involucrados directamente con daños en plantas y humanos. Con la finalidad de determinar las tecnologías desarrolladas a nivel mundial orientadas a la remediación de suelos contaminados con cadmio, específicamente a los procesos orientados en la bioremediación, se desarrolló un levantamiento de información consultando bases de datos de patentes y de publicaciones científicas. En la presente investigación se describen dos tecnologías basadas en el uso de plantas y hongos respectivamente, las cuales son de potencial aplicación a una región productora de cacao, ubicada en el Estado Miranda, Venezuela.
Palabras clave:biotecnologíabiotecnología, suelos suelos, biorremediación biorremediación, cadmio cadmio, cacao cacao, vigilancia tecnológica vigilancia tecnológica, inteligencia competitiva inteligencia competitiva.
Abstract: - At present there is a great concern for the contamination of agricultural soils due to the presence of heavy metals directly involved with damage to plants and humans. In order to determine the technologies developed worldwide aimed at the remediation of contaminated soil with cadmium. Specifically to the processes oriented in bioremediation, an information survey was developed consulting databases of patents and scientific publications. This research describes two technologies based on the use of plants and fungi respectively, which are of potential application to a cocoa producing region, located in Miranda State, Venezuela.
Keywords: biotechnology, soils, bioremediation, cadmium, cocoa, surveillance technological, intelligence competitive.
Notas técnicas
Nota técnica: biorremediación, enemigo del cadmio
Tech note: bioremediation, enemy of cadmium
Universidad de Carabobo
Recepción: 26 Noviembre 2018
Aprobación: 22 Marzo 2019
Desde la época precolombina el cacao Theobroma Cacao L. ha sido un cultivo de vital importancia, usado tanto para rituales como en la dieta de los habitantes de las Américas [1]. En Latinoamérica el cacao es cultivado en países como Ecuador, Perú, Brasil, México, El Salvador y Venezuela, la producción del período 2017-2018 en América es de alrededor de 748 mil toneladas lo que representa un 16,3 % de la producción mundial y aproximadamente 1.700 millones de dólares norteamericanos. No obstante, debido a las regulaciones implementadas el 1 de enero de 2019 por la Unión Europea sobre las concentraciones permitidas de cadmio (Cd) en el chocolate y productos derivados de cacao, las exportaciones al mercado europeo estarán seriamente afectadas [2].
El cadmio es un metal pesado que no cumple ninguna función metabólica tanto en la planta de cacao como en humanos por lo que es considerado un metal tóxico debido a que puede ocasionar disfunción tubular renal, cálculos renales, alteración del metabolismo del calcio y esquelético, defectos endocrinos, reproductivos y respiratorios [3]. El cadmio entra en la alimentación humana con los vegetales y productos animales. Se fija a las plantas más rápidamente que el plomo. Esto ha generado una gran preocupación a nivel mundial por lo que se han tomado medidas al respecto, estableciéndose límites a la concentración de cadmio que pueden contener los alimentos y así sean aptos para el consumo humano, además de la ingesta semanal de cadmio según el peso corporal.
El Theobroma Cacao L. absorbe el cadmio (Cd) del suelo y lo acumula en las almendras de cacao convirtiéndose en un riesgo para la salud de los consumidores [4]. Es importante tomar en cuenta en materia de exportación que, la comunidad europea es la región que importa más cacao y sus derivados en el mundo, con cantidades aproximadas de 6.000.000 de toneladas por año [2]. A partir del primero de enero de 2019 entrará en vigencia una nueva legislación para las importaciones de cacao y sus derivados en la que la comisión económica europea regulará el contenido de Cd en las importaciones de cacao.
En cuanto a la remediación de suelos para cultivos existen una cantidad interesante de tecnologías enfocadas en la biorremediación. Método que aplica agentes biológicos para la eliminación parcial o total de contaminantes y/o sustancias tóxicas del medio ambiente. A continuación presentaremos una sinopsis sobre las diferentes tecnologías aplicadas a la recuperación de suelos contaminados por metales pesados con la finalidad de que sean consideradas como posibles alternativas para la eliminación de cadmio en plantaciones de Theobroma Cacao L. [5].
El cadmio es un metal de color blanco azulado, dúctil, blando, maleable y con una densidad 8,642 g/cm³. Es un elemento poco abundante en la naturaleza, constituye aproximadamente 0.1 ppm de la corteza terrestre y se encuentra asociado a compuestos de zinc. Específicamente en suelos no contaminados, el cadmio debe ser menor a 1 mg/kg. Como metal puro, no se encuentra en el ambiente, es más abundante en forma de óxidos complejos, sulfuros y carbonatos de zinc, plomo y menas de cobre. La concentración de cadmio en aire de áreas industriales varía de 9,1 a 26,7 mg/m³ y en áreas rurales de 0,1 a 6 mg/m³. El tiempo de permanencia del cadmio en suelos es de hasta 300 años y el 90 % permanece sin transformarse [6].
Los metales pesados están directamente relacionados con los riesgos por contaminación de los suelos, toxicidad en las plantas y los efectos negativos sobre la calidad de los recursos naturales y el ambiente. Estos peligros dependen de la toxicidad específica del metal, la bioacumulación, persistencia y no biodegradabilidad [7]. En el suelo el mayor peligro reside en su acumulación por las plantas y la transferencia a los animales incluido el hombre [8]. En general, la distribución de metales pesados en los suelos es un fenómeno complejo que se ve influenciado por factores como el potencial redox, el pH, el contenido de materia orgánica, la capacidad de intercambio catiónico, el nivel de las aguas subterráneas y sus fluctuaciones, entre otros [9]. En los últimos años, se han realizado estudios con el fin de determinar la concentración de metales pesados como el cadmio en suelos y así analizar su presencia en diferentes cultivos de gran consumo humano e interés mundial.
En el campo ambiental, el cadmio es un elemento relativamente raro en la litosfera. Las principales fuentes de contaminación son: la minero metalurgia de metales no ferrosos, la metalurgia del hierro y acero, la fabricación de fertilizantes fosfatados, la incineración de residuos de madera, carbón o “plásticos”, la combustión de hidrocarburos y las aplicaciones industriales de cadmio [6].
Los procesos naturales de liberación de Cd como fuente de contaminación son insignificantes en comparación con el procedente de la actividad humana. La contaminación del suelo proviene de pigmentos, pinturas, baterías, PVC, aleaciones y fertilizantes químicos fosfatados. La concentración de cadmio promedio en los suelos va de 0,07 a 1,1 mg/kg. A valores altos de pH el cadmio no es móvil posiblemente por la baja solubilidad de los carbonatos y fosfatos, aunque el pH y el potencial redox son importantes en su movilidad y alta afinidad con la materia orgánica, oxihidroxidos de hierro, alofano e imogolita, no así con las arcillas. En general podemos decir que a pH ácidos los oxihidroxidos de hierro y la materia orgánica controlan la solubilidad del cadmio y que a pH alcalinos el Cd precipita por lo que es inmóvil. La concentración de Cd en la solución del suelo va de 0,2 a 6 µg/L, en suelos contaminados se ha llegado a reportar concentraciones hasta de 400 µg/L. Para recuperar los suelos contaminados por cadmio, es recomendable entre otras cosas: lavados en suelos ácidos, encalar (para elevar el pH) y aumentar la capacidad de intercambio de cationes [10].
El cacao es un producto de exportación importante para economías en desarrollo como África, Asia, Oceanía, América Latina y el Caribe, su valor en el mercado global es de aproximadamente 12 mil millones de dólares. A pesar del futuro promisorio, se ha evidenciado la presencia de cadmio (Cd) en el grano de cacao y sus derivados. Las plantas de cacao expuestas a altos niveles de cadmio sufren una reducción importante en procesos vitales tales como la fotosíntesis, la absorción de agua y de nutrientes. En consecuencia, presentan clorosis, inhibición del crecimiento, pardeamiento de las puntas de las raíces y finalmente, su muerte [11, 12].
En este sentido, durante el año 2009, el Panel de contaminantes de La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA por European Food Safety Authority) estableció una ingesta semanal de 2,5 mg/kg de peso corporal para el cadmio [1, 13]. Luego, la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) y la Organización Mundial de la Salud (OMS), a través del Comité de Expertos en Aditivos Alimentarios Conjunto FAO/OMS (JECFA Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives), en el año 2011, ratificó la misma ingesta, a través del documento Scientific Opinion of the Panel on Contaminants in the Food Chain [14].
Valores máximos (Vm) de Cd permitidos (mg/Kg) en cacao y productos derivados del chocolate para la Unión Europea [15]
Debido a lo anteriormente planteado, la Unión Europea notificó al Comité de Medidas Sanitarias y Fitosanitarias de la Organización Mundial del Comercio, el Proyecto de Reglamento de la Comisión que modifica el Reglamento (EC) Nro. 1881/2006 en cuanto a los niveles máximos de cadmio en los productos alimenticios, en el cual incluye a otros alimentos que no fueron tomados en cuenta en el documento del año 2006, para los niveles máximos de cadmio permitido. Entre ellos están el cacao y los derivados del chocolate que se presentan en la Tabla 1.
La Unión Europea notificó que la adición al Reglamento 1881 de 2006 entra en vigencia a partir de enero de 2019 [16] y lo ratifica en el reglamento 488 del 12 de mayo de 2014 [15]. Específicamente para el cacao y sus derivados, la Comisión Europea se apoyó en que el chocolate y el cacao en polvo que se venden al consumidor final puede contener altos niveles de cadmio [16]. Como tales productos son consumidos por los niños hay que establecer los niveles máximos de cadmio para los distintos tipos de chocolates y de cacao en polvo de venta al consumidor final.
La biorremediación describe una variedad de sistemas que utilizan organismos vivos como plantas, hongos, bacterias, entre otros para degradar, transformar o remover compuestos orgánicos tóxicos a productos metabólicos inocuos o menos tóxicos. La estrategia biológica a emplearse dependerá de las actividades catabólicas de los organismos, y por consiguiente de su capacidad para utilizar los contaminantes como fuente de alimento y energía. El proceso de biorremediación se caracteriza por ser ampliamente utilizado como parte de las tendencias de investigación en el campo biológico debido a que presenta grandes ventajas respecto a otros métodos que emplean mecanismos químicos y/o industriales que afectan negativamente el entorno biológico de las plantaciones. Es importante destacar que durante este proceso ocurren reacciones de óxido–reducción, procesos de absorción e intercambio iónico e incluso reacciones de acomplejamiento y quelación a nivel molecular [17].
Una de las ventajas de ésta tecnología es que la forma de biodegradar al contaminante dependerá de su estructura química y las especies microbianas empleadas, aunque no todos los compuestos orgánicos son susceptibles a la biodegradación, los procesos de biorremedación se han usado con éxito para tratar suelos, lodos y sedimentos contaminados [17].
Los suelos representan un sistema naturalmente equilibrado, con niveles importantes de vulnerabilidad a distintos factores como lo son: la contaminación de aguas residuales, desechos industriales por metales pesados y uso irracional de fertilizantes, ocasionando de forma temporal o permanente daños en su composición que pueden afectar los ecosistemas y los seres vivos.
De acuerdo con esto, durante los últimos años se han incrementado los estudios sobre la recuperación de suelos contaminados con metales pesados. Según el trabajo de González [18] resumió las principales alternativas biológicas que pueden usarse para la descontaminación haciendo énfasis en que el uso de plantas, requiere considerar a sus microorganismos simbióticos mutualistas de la rizosfera. El autor concluye que la interacción planta-microorganismos rizosféricos necesita considerarse para incrementar el éxito de las alternativas biológicas, que se utilicen con Elementos Potencialmente Tóxicos (EPTs). La utilidad de los microorganismos rizosféricos dependerá básicamente del nivel de contaminación, del tipo de contaminante del suelo y de los objetivos establecidos para la recuperación.
En este contexto, Ortiz–Cano et al [19] indicaron que la incorporación de micorrizas incrementó significativamente la concentración de Pb y Cd en raíz, tallo y hoja de quelite. Los investigadores concluyeron que la planta de Amaranthus hybridus L tiene la capacidad de concentrar en sus tejidos plomo y cadmio al crecer en suelos contaminados conforme aumenta la edad de la planta independientemente de la agregación de micorrizas (Entrophospora columbiana, Glomus intraradices, G. etunicatum,G.clarum), lo que hace que esta especie represente una solución potencial para la remediación de suelos contaminados con metales pesados.
Los hongos utilizados en el estudio presentaron una relación simbiótica con las plantas. Observándose una asociación positiva y significativa entre el porcentaje de colonización y la concentración de Pb y Cd en los tejidos de raíz, tallo y hoja. Mejorándose la colonización micorrízica y la capacidad extractora de Pb y Cd conforme se incrementó la edad de la planta [19].
Por otra parte, Muga [20] reportó que cultivos de Cosmos bipinnatus ubicados en zonas agrícolas aledañas a depósitos de desechos tóxicos fueron capaces de acumular metales pesados en raíces y partes aéreas. El estudio se realizó en un período de dos meses, demostrando la capacidad de absorción del Cosmos bipinnatus y su uso potencial como agente fitorremediador de suelos contaminados con metales pesados.
Una búsqueda en la base de datos PATENTSCOPE fue desarrollada usando la ecuación ((bioremediation OR biosorption) AND cadmium) en el campo título. Los resultados fueron recuperados para el periodo 01/01/2012 – 31/12/2017, se seleccionó una (1) patente por familia y las veintiuna (21) solicitudes y concesiones de patentes relevantes fueron almacenadas, tratadas y analizadas.
Para las publicaciones científicas, se utilizó la base de Google Académico y en cuanto a la literatura gris las plataformas correspondientes a la Universidad Central de Venezuela, Universidad Simón Bolívar, Universidad de Carabobo, Universidad de Los Andes y la Universidad del Zulia para el mismo periodo de tiempo.
A continuación, estarán esbozados los resultados obtenidos a través del desarrollo del área de conocimiento realizando un análisis y evaluación a profundidad de las tendencias de investigación e invención sobre el tema de interés.
a) Biosorción de cadmio por cepas fúngicas nativas de suelos contaminados, tecnologías con microorganismos
La biosorción es un fenómeno ampliamente estudiado para la biorremediación de metales como el cadmio (Cd), cromo (Cr), plomo (Pb), níquel (Ni), zinc (Zn) y cobre (Cu). La biosorción está determinada por los mecanismos altamente específicos para absorber, traslocar y acumular nutrientes [21]. Por ello, los investigadores, Guerra y colaboradores en el 2014 [17] estudiaron adaptar, seleccionar y evaluar en medios nutritivos líquidos, la capacidad de biosorción de cadmio por cepas fúngicas nativas de vida libre, a fin de obtener las más eficientes. Las cepas fueron aisladas de suelos contaminados por metales pesados en cultivos de cacao del municipio de San Vicente de Chucuri y el Carmen (Departamento de Santander-Colombia) y de suelos mineros de la región de California (Departamento de Santander- Colombia) en Colombia donde tomaron 15 muestras de suelo al azar con una profundidad de 20 cm desde de la superficie, con un peso aproximado de 1 Kg para cada muestra. La Figura 1 muestra un diagrama de la metodología empleada.
Figura 1
Metodología general para evaluar la capacidad de biosorción de hongos de vida libre nativos de suelos contaminados por Cd [17].
Entre los resultados, los autores seleccionaron tres (03) grupos de organismos con características morfologicas comúnes (morfoespecies) destacadas por su capacidad de adaptación y crecimiento en soluciones nutritivas y suplementadas con concentraciónes crecientes de cadmio, el cual afecta las características morfológicas y la esporulación de los microorganismos dependiendo de la cepas empleadas.
La Tabla 2 refleja que en medios líquidos, la acumulación de los hongos es elevada y cumplen con el siguiente orden creciente de actividad; Penicillum–L004 (88,93 %) < Trichoderma–L006 (96,06 %) < Aspergillus–L007 (98,63 %). Los resultados permiten inferir que las cepas L006 y L007 pudiesen ser empleadas en la remoción de metales pesados según la metodología desarrollada.
Porcentaje de captación de metales pesados por cepas aisladas de suelos contaminados. Municipios: San Vicente de Chucuri, El Carmen y California (Santander) [17].
b) Tecnologías de Fitorremediación ó Fitoextracción de Suelos Contaminados con cadmio utilizando Galinsoga parviflora (Albahaca silvestre)
En el marco de ofrecer alternativas para la fitoremediación de suelos contaminados con cadmio en plantaciones de cacao, los inventores Ming’an L., Lijin L, y col, patentaron en la República Popular de China bajo el registro (CN103447290B), un método de recuperación de suelos contaminados por cadmio utilizando la Galinsoga parviflora denominada comúnmente en Venezuela como Albahaca silvestre. La Galinsoga p. es una planta herbácea de florecimiento anual que se encuentra en mayor proporción en México y Argentina.
La Figura 2 muestra la metodología aplicada en la cual la Galisoga p. en un lapso de 60 días, acumuló un promedio de 75 mg/kg de cadmio en forma de CdCl2. El análisis estructural celular y de fotosíntesis indicó que las afectaciones al crecimiento y de biomasa no son significativas. Los que nos permite inferir que su aplicación como herramienta para la remediación de suelos es prometedora [21].
Figura 2
Metodología empleada por Mingan L., Lijin L, y col. como método de recuperación de suelos contaminados por cadmio utilizando la Galinsoga parviflora denominada comúnmente en Venezuela como: Albahaca silvestre bajo el registro de patente CN103447290B en la República Popular de China [21].
Las nuevas tecnologías aplicadas para la recuperación de los suelos contaminados apuntan hacia el uso de métodos biorremediadores.
La metodología de micorremediación aplicada por la Universidad de Santander, se basó en las capacidades de crecimiento, adaptación y biosorción de hongos nativos con la finalidad de aplicarse en suelos agrícolas. Mostró resultados interesantes que indican una viabilidad técnica potencial como una herramienta para la extracción de cadmio. No obstante, el desarrollo de la invención, se encuentra a nivel de laboratorio, siendo necesario el estudio de diversos parámetros con el objetivo de conocer el alcance de la metodología y su escalamiento. En cuanto al proceso de fitorremediación registrado por la inventora Lin Lijin, es de menor desarrollo tecnológico, requiere una baja inversión y control. Sin embargo, la actividad de acumulación de las plantas depende de la concentración de cadmio en los suelos contaminados. Ambos procesos requieren de posteriores estudios para determinar su vialidad técnica y económica.
Es importante recordar que los últimos años los avances en las áreas de biotecnología e ingeniería recombinante han permitido potenciar las actividades y propiedades de los microorganismos. Los resultados alcanzados por las técnicas de biorremediación representan un primer paso hacia la solución de los suelos contaminados por metales pesados. En la Tabla 3, se comparan algunos aspectos de las diferentes tecnologías estudiadas.
Comparación de los métodos de micorremediación y fitorremediación
De acuerdo con la revisión realizada los estudios se centran en el uso de técnicas biorremediadoras basadas en biosorción de cadmio por cepas fúngicas nativas de suelos contaminados y fitorremediación de suelos contaminados con cadmio utilizando la Galinsoga parviflora (Albahaca silvestre). Siendo altamente efectiva el uso de las cepas fúngicas en medio acuoso, los tres tipos de cepas estudiados Aspergillus- L007, Trichoderma-L006 y Penicillum-L004 presentaron porcentajes de biosorción de cadmio en medio liquido de 98,63 %, 96,06 % y 88,93 % respectivamente a nivel de laboratorio. En el caso de la Galinsoga parviflora como técnica de fitorremediación fue patentada por investigadores de la República Popular de China, resultando una técnología efectiva para suelos altamente contaminados por metales pesados, en este caso cadmio, tomando en cuenta que debe aplicarse previo al desarrollo de cultivos, donde exista una incidencia de luz solar considerable con una humedad controlada del 80 %.
Ambas biotecnologías tienen un uso potencial en suelos y aguas de riego contaminados con cadmio. La biorremediación mediante cepas fúngicas podría emplearse a través del agua de riego del cultivo de cacao. Por otra parte, el tratamiento de fitorremediación con Galinsoga parviflora tiene facilidades para ser aplicado a suelos. Sin embargo, para garantizar el éxito del control del cadmio en el fruto del árbol de Theobroma Cacao L. debe considerarse un estudio a nivel de laboratorio de ambas biotecnologías aplicadas de acuerdo a las características climatológicas de la región, y posteriormente llevar a escala piloto. Para el desarrollo de las cepas fúngicas, se requiere de un personal especializado, mientras que para la fitorremediación con Galinsoga parviflora es suficiente con conocimientos básicos de buenas prácticas agrícolas.
http://servicio.bc.uc.edu.ve/ingenieria/revista/v26n1/art09.pdf (pdf)
publicacionesgpidi.cntq@gmail.com
Valores máximos (Vm) de Cd permitidos (mg/Kg) en cacao y productos derivados del chocolate para la Unión Europea [15]
Figura 1
Metodología general para evaluar la capacidad de biosorción de hongos de vida libre nativos de suelos contaminados por Cd [17].
Porcentaje de captación de metales pesados por cepas aisladas de suelos contaminados. Municipios: San Vicente de Chucuri, El Carmen y California (Santander) [17].
Figura 2
Metodología empleada por Mingan L., Lijin L, y col. como método de recuperación de suelos contaminados por cadmio utilizando la Galinsoga parviflora denominada comúnmente en Venezuela como: Albahaca silvestre bajo el registro de patente CN103447290B en la República Popular de China [21].
Comparación de los métodos de micorremediación y fitorremediación
