La degradación de los suelos: contaminación por Cadmio

“Un agente altamente tóxico frente al medioambiente, la salud y la producción agrícola”

destacamos

“Estas relaciones con las otras partículas del suelo son las que, finalmente, van a determinar la biodisponibilidad del cadmio y, por tanto, sus efectos tóxicos.”

“La alta toxicidad y biodisponibilidad del cadmio afectan a los procesos fisiológicos vegetales, reduciendo la producción agrícola. Además, es incorporado a las plantas introduciéndose y acumulándose en la cadena trófica. ”

“Las plantas tienen la capacidad de responder al cadmio con mayor o menor grado de tolerancia al mismo lo que depende de la especie o de la variedad en cuestión. En algunos casos, las plantas utilizan mecanismos que podemos aprovechar llevando a cabo una biorremediación de los suelos.”

La degradación de los suelos es hoy un problema más que evidente, esta degradación está promovida por la descontrolada actividad de un sistema socioeconómico determinado y está provocada por una gran cantidad de factores distintos. Uno de los factores es la contaminación por sustancias tóxicas, como pueden ser los metales pesados. Uno de estos metales y, en el que se centra este artículo, es el cadmio.

El cadmio es un elemento químico, de número atómico 48, perteneciente al grupo 12 de la tabla periódica es, por tanto, un metal de transición. Es relativamente escaso, sin embargo, es uno de los metales pesados con mayor toxicidad. Según el registro de enfermedades y venenos de EEUU (Priority List of Hazardous Substances, 2017, Agency for Toxic Substances and Disease Registry: https://www.atsdr.cdc.gov/spl/) se encuentra en la séptima posición de los elementos más tóxicos para la salud humana.

Cadmio y su posición en la tabla periódica. Fuentes: https://www.infometales.com/cadmio/ y https://www.quimicas.net/2015/07/el-cadmio.html

La proporción de cadmio en los ecosistemas es bastante baja de forma natural. En ríos la concentración de cadmio puede alcanzar valores altos de entre 10 y 500 mg/ml, aunque depende de la localización del mismo y la actividad antropogénica a la que esté asociado, mientras que en océano abierto la concentración puede oscilar entre 0,5 y 10 mg/ml. Así mismo también podemos encontrar cadmio en la atmósfera, no obstante, su persistencia en la misma es baja, es decir deposita fácilmente. En suelos su concentración media oscila entre 0,15 y 0,2 ppm, aunque su concentración es dependiente del tipo roca existente. Además, puede encontrarse en distintas formas químicas y asociado a otros componentes. Estas relaciones con las otras partículas del suelo son las que, finalmente, van a determinar la biodisponibilidad del cadmio y, por tanto, sus efectos tóxicos.

La actividad antropogénica puede provocar por distintas vías un aumento en la cantidad y/o en la disponibilidad del cadmio presente en los suelos, liberando cadmio por distintos procesos o alterando determinadas características del suelo que aumenten la solubilidad del cadmio, como podría ser el pH de los mismos.

Una vez sabemos que es el cadmio y antes de explicar sus efectos, es necesario saber de dónde proviene éste y para qué lo usamos.

Pues bien, el principal uso del cadmio se encuentra en las baterías de níquel-cadmio, suponiendo el 83 % de la utilización del cadmio, aunque también se utiliza para la producción de pigmentos, de revestimientos y aleaciones, como estabilizadores de plásticos y también está presente en dispositivos fotovoltaicos, además de tener otros usos. La actividad minera e industrial asociada a otros metales como el zinc y el cobre general cadmio como un producto secundario. Sn embargo, aunque estas actividades contribuyen de forma importante a la contaminación de los suelos por cadmio, la principal fuente de cadmio para la contaminación de los mismos es la actividad agrícola, suponiendo el 34 % del cadmio que acaba en el medio ambiente.

Esta gran influencia de la actividad agrícola en los suelos se debe al empleo de fertilizantes, concretamente, al uso del fertilizante más importante y que, en la mayoría de los casos, constituye el elemento más limitante de la producción agrícola, el fosfato. A su vez se trata de un fertilizante, cuyas reservas mundiales se encuentran muy agotadas, aunque esto es otro tema. De hecho, la importancia es tal que pueden observarse diferencias en los niveles de cadmio en los suelos entre los países de la Europa Occidental y los países que formaron parte del bloque socialista. Estas diferencias estuvieron asociadas a la `procedencia del fosfato empleado para los fertilizantes, mientras que en Europa Occidental la mayor parte del fosfato provenía del Sáhara Occidental, con altos niveles de cadmio, en la Europa del Este, el cadmio provenía de las reservas rusas, que contaban con rocas con una concentración de cadmio mucho más baja.

https://www.agrodigital.com/2018/11/08/la-reduccion-del-cadmio-en-los-fertilizantes-fosfatados-beneficiara-a-rusia-y-perjudicara-a-los-agricultores-europeos/

Porcentajes de muestras con concentraciones superiores al valor umbral en muestras de tierras agrícolas, aplicando la metodología LUCAS. Se observa que las regiones con mayor porcentaje de muestras con un contenido de cadmio superior al valor de referenciase encuentran en Grecia, Irlanda, el sur de Francia, el norte de Italia y zonas de Austria y Hungría. Existe una diferencia importante entre Europa occidental y Europa del Este, en la que los niveles de cadmio son bastante menores (Tóth et al., 2016).

En Europa, las regiones con mayor cantidad de cadmio son Irlanda y Grecia, mientras que en España y Francia sólo en algunas regiones existen niveles de cadmio superiores a los valores recomendados en la producción agrícola. Sin embargo, la Autoridad Europea en Seguridad Alimentaria (EFSA) indicaban en 2012 que los europeos ingerían un 35 % más del valor máximo de cadmio recomendado (2,5 µg/kg de peso), aunque en ciertas regiones esa cifra puede multiplicarse por cuatro. Esta ingesta de cadmio se produce, principalmente, por la ingesta de alimentos cultivados en suelos contaminados por cadmio, siendo los cereales el cultivo que más aporta en la dieta (26,9 %), aunque también pueden provenir de vegetales, raíces, tubérculos… Además, puede encontrarse en otros alimentos en una menor proporción que en productos agrícolas, como pueden ser el chocolate (4,3 %) o los moluscos (3,2 %).

Pero, ¿cuál es el problema de este metal pesado?

Por un lado, la alta toxicidad y biodisponibilidad del cadmio afectan a una gran cantidad de procesos fisiológicos vegetales, lo que, finalmente, resulta en una reducción de la producción agrícola. El cadmio afecta directa e indirectamente a la fotosíntesis, proceso mediante el cual las plantas transforman la energía lumínica del sol en energía química aprovechable por la planta. Así mismo, también reduce el contenido de pigmentos esenciales como las clorofilas, lo que a su vez afecta también al proceso fotosintético. No obstante, este no es el único proceso metabólico afectado por el cadmio, también cabe destacar sus efectos sobre el metabolismo del azufre y sobre el nitrógeno, si a estas alteraciones metabólicas le añadimos los cambios que el cadmio provoca en la captación de nutrientes esenciales, debido a los efectos del mismo en las membranas plasmáticas de las células y a la competencia directa entre el metal pesado y otros iones esenciales (potasio, calcio, magnesio, cobre, cinc…) por sus transportadores, encontramos que el cadmio provoca un desbalance nutricional importante en las plantas, lo que tiene efectos considerables sobre el crecimiento y la productividad de las mismas. Además, afecta al núcleo celular, alterando el material genético, llegando, incluso, a detener la división celular o provocando anomalías en las estructuras florales o malformaciones en los embriones de las semillas.

Por otra parte, el cadmio es un metal pesado que puede ser transportado a las partes áreas de las plantas, almacenándose en las mismas, lo que permite su paso a la cadena trófica, donde se bioacumula para, finalmente, provocar efectos perjudiciales en la salud de las personas. Es un elemento teratogénico (genera defectos congénitos en los fetos) y carcinogénico. Daña principalmente riñones e hígado, pudiendo provocar nefropatía y daño hepático irreversible, además puede irritar el estómago provocando vómitos y diarreas. La ingesta continuada de este metal pesado puede provocar fragilidad ósea. De hecho, el primer caso de una intoxicación masiva documentada por cadmio estuvo asociado a osteoporosis, osteomalacia, daño renal, enfisema, anemia y en los afectados se llegaron a producir fracturas óseas múltiples. Este es el caso de la nombrada como enfermedad Itai-Itai. Se produjo en Toyama (Japón) durante el siglo XX, la causa fueron los vertidos con altas concentraciones de cadmio de explotaciones mineras sobre el agua que se usaba para regar los campos de arroz. El cadmio se acumuló en los granos del arroz, pasando a la dieta de la población con dramáticas y terribles consecuencias. La enfermedad fue denominada Itai-Itai, que en japonés significa “ay, ay”, debido a los gritos de dolor de las personas afectadas, a las que como mencioné antes, se les podían llegar a romper los huesos, como resultado de los efectos de una ingesta prolongada de cadmio sobre el sistema óseo.

Víctima de la enfermedad Itai-Itai en Toyama (Japón). Primer registro histórico de intoxicación masiva por cadmio. Fuente: https://guitarradeldiablo.wordpress.com/2013/08/15/el-primer-registro-historico-de-la-intoxicacion-por-cadmio-cd-por-causa-de-la-explotacion-minera-un-riesgo-que-actualmente-debe-re-evaluarse-la-enfermedad-del-itai-itai/

En consecuencia, la contaminación de los suelos por este metal pesado supone un problema no sólo medioambiental, sino que también supone un factor más en la destrucción de los suelos y, por tanto, una amenaza para la producción agrícola. Además, como hemos visto también supone un riesgo real e importante para la conservación del estado de salud de toda la humanidad y especialmente, de aquellas personas sin recursos suficientes como para acceder a productos seguros o a la pequeña burbuja de la eco-producción. Y de nuevo evidencia que el modo de producción capitalista conduce irremediable y necesariamente hacia la degradación de la naturaleza y, en consecuencia, también de la humanidad.

Sin embargo, todo no está perdido. Las plantas tienen la capacidad de responder al cadmio con mayor o menor grado de tolerancia al mismo lo que depende de la especie o de la variedad en cuestión. En algunos casos, las plantas utilizan mecanismos que podemos aprovechar llevando a cabo una biorremediación de los suelos. La biorremediación consiste en la utilización de organismos vivos (hongos, plantas, bacterias…) o alguno de sus componentes (enzimas, células…) para restaurar el medio ambiente (acuático o terrestre), eliminando o transformando las sustancias tóxicas que lo contaminaron.

En el caso concreto de la contaminación por cadmio se han estudiado una gran cantidad de métodos para su biorremediación. Algunos ejemplos investigados son: microalgas marinas para la descontaminación de agua marina (Matsunaga et al., 1999), Rhodobacter sphaeroides (Bai et al., 2008), Pseudomonas aeruginosa KUCd1 (Sinha et al., 2009), la hiperacumulación de cadmio en Bacillus sp. L14 (Guo et al., 2010) … La lista de formas de biorremediación estudiada es extremadamente amplia, también lo es en el caso de la utilización de plantas para tal fin. Como la biorremediación de suelos utilizando la simbiosis entre leguminosas y rizobio recombinante con los genes MTL4 y PCS, una metalotioneína tetramérica sintética y un ADN codificante de una fitoquelatina sintasa, respectivamente, proteínas que intervendrían en logar una mayor acumulación del metal en la planta permitiendo una inmovilización y retirada del cadmio de los suelos (Ike et al., 2007). También se ha investigado en Brassica napus L. (Ehsan et al., 2014), en Solanum nigrum L. (Sun et al., 2011) …

La lista de ejemplos de fitorremediación investigados es mucho más amplia que la que se ha mostrado aquí, sin embargo, a medida que la degradación absoluta a la que nos encamina el modo de producción capitalista se acerca, se hace cada vez más urgente un avance del conocimiento científico sin precedentes que permitan ir paliando esta degradación hasta que finalmente el capitalismo nos lleve al punto de no retorno. Y frente a esta barbarie, debemos cuestionar el modo de producción vigente, porque sabemos dónde nos conduce y plantarle cara, porque el conocimiento científico no se desarrolla al nivel suficiente para frenar la degradación de los suelos, lo que pone en riesgo a toda la humanidad y lo que evidencia que no hay posibilidades dentro del capitalismo.

BIBLIOGRAFÍA

Tóth, G., Hermann, T., Da Silva, M.R., Montanarella, L., 2016. Heavy metals in agricultural soils of the European Union with implications for food safety. Environ. Int. 88, 299–309. https://doi.org/10.1016/j.envint.2015.12.017

Adriano, D.C., 1986. Trace elements in the terrestrial environments: biogeochemistry, bioavailability, and risks of metals., 2a. ed, Trace elements in the terrestrial environment. Springer US, Aitken, USA.

Al-Ghafari, A., Elmorsy, E., Fikry, E., Alrowaili, M., Carter, W.G., 2019. The heavy metals lead and cadmium are cytotoxic to human bone osteoblasts via induction of redox stress. PLoS One 14, 1–18. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0225341

DalCorso, G., Farinati, S., Maistri, S., Furini, A., 2008. How plants cope with cadmium: Staking all on metabolism and gene expression. J. Integr. Plant Biol. 50, 1268–1280. https://doi.org/10.1111/j.1744-7909.2008.00737.x

EFSA, 2012. Cadmium dietary exposure in the European population. EFSA J. 10, 2551. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2012.2551

Deckert, J., 2005. Cadmium toxicity in plants: Is there any analogy to its carcinogenic effect in mammalian cells? BioMetals 18, 475–481. https://doi.org/10.1007/s10534-005-1245-0

Faroon O., Ashizawa A., Wright S., Tucker P., Jenkins K., Ingerman L., R.C., 2012. Toxicological profile for cadmium., Agency for Toxic Substances and Disease Registry (US), Atlanta (GA). https://doi.org/10.1016/s1090-3798(09)70033-9

Fu, H., Yu, H., Li, T., Wu, Y., 2019. Effect of cadmium stress on inorganic and organic components in xylem sap of high cadmium accumulating rice line (Oryza sativa L.). Ecotoxicol. Environ. Saf. 168, 330–337. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.10.023

Sanitá di Toppi, L., Gabbrielli, R., 1999. Response to cadmium in higher plants. Environ. Exp. Bot. 41, 105–130. https://doi.org/10.1016/S0098-8472(98)00058-6

Zhang, G., Fukami, M., Sekimoto, H., 2002. Influence of cadmium on mineral concentrations and yield components in wheat genotypes differing in Cd tolerance at seedling stage. F. Crop. Res. 77, 93–98. https://doi.org/10.1016/S0378-4290(02)00061-8

Matsunaga T., Takeyama H., Nakao T., Yamazawa A., 1999. Screening of marine microalgae for bioremediaton of cadmium-polluted seawater. Journal of Biotechnology 70, 33-38. https://doi.org/10.1016/S0168-1656(99)00055-3

Bai H. J., Zhang Z. M., Yang G-E., Li B-Z, 2008. Bioremediation of cadmium by growing Rodobacter sphaeroides: Kinetic characteristic and mechanism studies. Bioresource Technology, 99, 7716-7722. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.01.071

Sinha S., Mukherjee S. K., 2009. Pseudomonas aerugionsa KUCd1, a possible candidate for cadmium bioremediation. Brazilian Journal of Microbiology 40, 655-662. http://dx.doi.org/10.1590/S1517-83822009000300030

Guo H., Luo S., Chen L., Xiao X., Xi Q., Wei W., Zeng G., Liu C., Wan Y., Chen J., He Y., 2010. Biormediation of heavy metals by growing hyperaccumulator endophytuc bacterium Bacillus sp. L14. Bioresource Technology, 101, 8599-8605, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.06.085

Ike A., Sriprang R., Ono H., Murooka Y., Yamashita M., 2007. Bioremediation of cadmium contaminated soil using symbiosis between leguminous plant and recombinant rhizobia with the MTL4 and the PCS genes. Chemosphere 66, 1670-1676. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2006.07.058

Ehsan S., Ali S., Noureen S., Mahmood K., Faird M., Ishaque W., Shakoor M B., Rizwan M., 2014. Citric acid assisted phytoremediation of cadmium by Brassica napus L. Ecotoxicology and Environmental Safety 106, 164-172. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2014.03.007

Ji P., Sun T., Song Y., Ackland M. L., Liu Y., 2011. Strategies for enhancing the phytoremediation of cadmium-contaminated agricultural soils by Solanum nigrum L. Environmental Pollution 159, 762-768.
https://doi.org/10.1016/j.envpol.2010.11.029