1

1

AGRO 6505 –Fertilidad de Suelos y Abonos

Fertilización de cultivos para mejorar la salud humana

2

Fertilización de cultivos para mejorar la salud humana

1. Seguridad alimentaria y seguridad nutricional

2. Estadísticas sobre la nutrición humana

3. Micronutrientes y su función

4. Biofortificación de cultivos alimenticios con micronutrientes

5. Agricultura orgánica y la salud humana

Bruulsema, T.W. et al (eds). 2013. Fertilizing Crops to Improve Human Health: A Scientific Review. http://www.ipni.net/article/IPNI-3269.

2

1. Seguridad alimentaria y seguridad nutricional1.1. Introducción

• Seguridad alimentaria (OMB, USDA) –

• Disponibilidad adecuada – Suficientes cantidades en todo momento para todos tener una dieta saludable

• Acceso adecuado– Tener los recursos para obtener (o producir) las comidas

• Tipo de comida – Segura, culturalmente apropiada, que se produzca en forma sustentable que promueva comunidades saludables

Cantidad y calidad de comida = salud humana

• Seguridad alimentaria – Cuando todas las personas, en todo momento, tienen acceso físico, social y económico a comida en suficientes cantidades, que sea segura y que tenga el valor nutricional adecuado.

• Salud humana (OMS) – Un estado de bienestar físico, mental y social y no meramente la ausencia de enfermedades. La salud humana va más allá de la disciplina de la medicina. No hay salud humana sin buena comida.

• Por tal razón, la misión de agricultura tiene que ser mas amplia que producir comida, si no también contribuir a la salud humana.

• La concentración de los elementos en muchos cultivos es influenciada por la concentración en el suelo o el aplicado

3

La producción agrícola afecta la salud humana (p. 242)

• Cantidades insuficientes de comida

• Calidad insuficiente de comida

• Concentraciones muy bajas de nutrientes esenciales

• Niveles reducidos de compuestos antioxidantes o anticancerígenos

• Altos niveles de elementos indeseables (nitratos en vegetales verdes)

• Residuos de plaguicidas

• Microorganismos tóxicos (Salmonella, E. coli, Listeria)

• Toxinas naturales (cianuro en Yuca)

1.2. Aumento en la producción de cereales

• Importancia de la “Revolución Verde” en la producción de trigo, y luego arroz, maíz y otros cereales

– 1961 al 2008 casi se triplicó la producción de cereales; aumentó de 900 a 2,500 Mt

• La población aumentó de 3.1B a 6.8B (se ha doblado en 45 años)

• Si se considera la comida mas el alimento (animales) la producción se ha triplicado

4

Change in cereal and meat production per capita from 1961‐2008 (FAO, 2010b) 

(reproducido de Roberts y Tasistro, 2012).

Global cereal production and total fertilizer consumption 1961‐2011 (FAO

2012; IFA 2012) ) (reproducido de Roberts y Tasistro, 2012).

• Consumo de fertilizantes aumentó de 30 a 150Mt

• Pero, para el 2050, se requerirá un incremento en 70% de la producción agrícola a la que hay en el 2005-2007 (población esperada en el 2050 es de 9.2B)

– El mayor incremento en la población ocurrirá en países en desarrollo

– Necesidad de producción de comida y alimento de: Africa +300%; America Latina - +80%; Asia 70%; Norteamerica 30%

• Habrá que reponer los nutrientes que se consumen de todas las posibles fuentes, aplicando a los suelos (o foliar) bajo producción agrícola

• Fertilizantes contribuyen a entre 40 y 60% de la producción de cereales mundialmente (otros cultivos?) (Smil, 2001)

• A pesar de los avances, en el 2009 16.7% de la población (1.02B), estaban crónicamente hambriento o malnutrido

• 63% en Asia y el pacífico; 26% en Africa subsahariana; America Latina

5

1.3. Rol de los fertilizantes en la productividad de cereales y comida en general

• Los principales cereales son arroz, trigo, maíz (proveen 50% del consumo calórico y ocupan 58% del área en producción mundialmente)

• El sector pecuario cada vez exige mayor consumo de granos.

• Consumo global de carne se ha doblado en 30 años (11 a 27 kg/persona), y está cerca de 44 kg/persona

• En 2007-2008, 110 Mt de grano se utilizaron para producir etanol (10% de la producción global de grano); En EEUU ¿??

1.3. Rol de los fertilizantes en la productividad de cereales y comida en general

• ¿Será la biotecnología la solución a la futura crisis alimentaria? (p. 15)

• Competencia por comida, alimento (animales), biocombustibles

• ¿Como está la producción de cereales con relación al “Yield Potential”?

– Trigo – 65%; Maiz – 50%; Arroz – 64%

• Múltiples ejemplos de la reducción en rendimientos con ausencia de N (ya discutido)

6

1.4. Seguridad nutricional

• La nutrición de las plantas afecta componentes de la salud humana a través de los distintos tipos de carbohidratos, proteínas, aceites, minerales (elementos), vitaminas

• ¿Cómo se puede mejorar la calidad de la comida?

• Ejemplo. Fertilización con K, aumenta contenido de Lycopeno en tomate (p. 181) y contenido de isoflavone en semilla de soya (p. 183)

7

2. Algunas estadísticas sobre la nutrición humana2.1. Estadísticas generalizadas

• Deficiencias de micronutrientes afectan la vida de más de 2B de personas

– Pobre calidad de dieta

– Alto consumo de productos básicos

– Bajo consumo de carne, pescado, frutas, granos, vegetales

– Asociado a personas que no pueden comprar alimentos de calidad o que no puede producir sus propios alimentos

• Anualmente, en países en desarrollo, el 60% de las muertes de 10M de niños <5 años está asociado a la malnutrición

2.1. Estadísticas generalizadas• 1.6B de personas son anémicos debido a deficiencia de

Fe

• Anualmente, se mueren más de 1M de niños debido a deficiencia de Fe

• Anualmente, deficiencia de I en mujeres embarazadas resulta en impedimento mental de 20M de bebés

• Deficiencia de Zn está asociado por 800,000 muertes asociado a diarrea, pneumonia y malaria en niños < 5 años.

8

2.2. Rol de la revolución verde en crear los problemas nutricionales (p. 73)

• Explosión poblacional después de 2nda guerra mundial causó gran miedo de hambrunas

• La revolución verde resultó en variedades de trigo, maíz y arroz de mayor rendimiento y resistente a plagas

• Materiales genéticos se distribuyeron por todo el mundo, especialmente en países donde el riego era mayor

• El incremento relativo en el consumo de granos básicos fue mayor que el consumo de “pulse crops” (legumbres, frutas vegetales)

• Para 1970, se comienza a reconocer deficiencias severas de Fe, V-A, Zn, Se, I

• La revolución verde fue en gran parte el principal factor asociado a las deficiencias nutricionales

• La próxima (tercer) revolución verde debe estar asociado a mejor nutrición (mejor calidad) que satisfaga nivel calórico y necesidad nutricional

2.3. Biodisponibilidad de elementos en las comidas, antinutrientes, promotores, interacciones entre nutrientes (p. 76 – 87)

9

3. Elementos y factores (principalmente micro-elementos) y su función3.1. Elementos o factores esenciales para la salud humana• 9 micronutrientes (Fe, Mn, Zn, Cu, Cr, Se, I, F, Mo)

• 13 vitaminas (V-A, V-B1, V-B2, V-B6, V-B12, Niacina, Folato, A. Pantoténico, V-C, V-D, Biotina, V-E, V-K)

• Población afectada por deficiencias en:

• Fe (1.6M)

• I (2.0B)

• Zn (1.5B)

• V-A (190M <5 años; 19 M mujeres embarazadas)

• Las incidencias son mayores en niños <5 años y mujeres embarazadas

• Las incidencias son mayores en Asia y África

10

Principal enfoque es en Fe, Zn, Se, I, carotenoides, pero también hay se puede mencionar el Ca, Mg, carbohidratos, proteínas, aceites

Elemento o factor Mejor enfoque para aumentar concentración en comidas básicas

Fe Biofortificación genética Sí afecta rendimiento (menos que el Zn)

Zn Biofortificación agronómica Sí afecta rendimientoSe Biofortificación agronómica No afecta rendimientoI Biofortificación agronómica No afecta rendimiento, aumento en

concentración de hojas pero no

Cr

Carotenoides (precursores de

Vitamina A)

Biofortificación genética

Ejemplos de la función en humanos y problemas asociados a deficiencias de

elementos o factores (p. 69)

11

Elemento o factor

Función Problemas asociados a deficiencias

Fe Acarreador de oxígeno; funcionamiento adecuado de neuronas; transferencia de energía entre células

Anemia; Anemia perniciosa (absorción de V-B12); pobre desarrollo mental de niños; menor capacidad de realizar trabajo físico

Zn Síntesis de proteínas; crecimiento celular; diferenciación celular;

Deficiencia causa impedimento en desarrollo mental; susceptibilidad a enfermedades infecciosas; achaparramiento en niños; causante de entre 450K a 800 K muertes en niños <5 años (diarrea e infecciones respiratorias); mayor susceptibilidad a muerte por malaria

Se Elemento envuelto en síntesis de proteínas, anti-oxidante, anti-inflamatorio, anti-carcenígeno; algunos países han implementado programas de fortificación con Se

I Sistema nervioso; metabolismo Cretinismo; bajo peso; pérdida en destresas psico-motoras; memoria;

Cr Reducción en crecimiento; niveles eleveados de colesterol y tri-glicéridos; reducción en fertilidad

V-B12 (Co) Precursor de V-B12 en rumiantes, consumo de carne con mayor concentración de V-B12

Carotenoidees (precursores de

Vitamina A)

Importante en la visión; prevenir enfermedades infecciosas respiratorias y gastrointestinales

Ceguera; sistema inmunológico suprimido;

3.2. Definiciones• Biofortificación - El aumento en micronutrientes a través de

fitomejoramiento y modificación genética de alimentos base (staple foods)

• Biofortificación agronómica – El aumento en micronutrientes a través de elementos traza en los fertilizantes; aumenta la concentración en la solución del suelo (a través de aplicaciones al suelo) o en el tejido foliar (a través de aplicaciones foliares).

• Fortificación de comida – suplemental la comida; ej. Iodización de la sal, adición de ácido fólico a los cereales

• Fortificación de fertilizantes – aplicación y uso de fertilizatnes con mayores concentraciones de micronutrientes (ej. Zn, Se, I)

• Nutraceutical – característica de promueve la salud; ej licopeno, isoflavones

• “Staple Crop” – Cultivo(s) básicos consumidos por una población

12

3.3. Intervenciones para prevenir malnutrición

• Ejemplos de éxito en la fortificación de comida (p. 45)

• Arroz biofortificado con Fe

• Batata con alto contenido de carotenoides

• Arroz y trigo con alto contenido de Zn

• Habichuelas y millo con alto contenido de Fe

• Yuca y maíz con mayor contenido de carotenoides

• I y V-A versus Fe y Zn

• I y V-A pueden ser absorbido y almacenado diariamente o suplementado con meda-dosis (p. 47)

• Suplementar la población con Fe y Zn requieren de un de una logística de dosificación continua y en las dosis adecuada; también hay efectos gastrointestinales; mal-sabor

13

• Fortificación de comida – suplemental la comida; ej. Iodización de la sal, adición de ácido fólico a los cereales

• Adición de retinol palminate a la azúcar, para reducir deficiencia de V-A en El Salvador, Honduras y Nicaragua

• Adición de ácido fólico a harinas de cereales (cereales comerciales compañías transnacionales versus harina de cereales en países sin acceso)

• Problemas

• Fe – incompatibilidad de compuestos de Fe con la matriz de la comida, cambios en olor o sabor de la comida

3.4. Ventajas de la biofortificación

• Se hace una inversión en un programa de fitomejoramiento; produciendo un material que puede distribuirse en función del tiempo y espacio. http://www.harvestplus.org/.

• La meta es insertar características de “mayor densidad” en cultivos de mayor rendimiento y mayor consumo, y mas deseables

• Costo (efectividad-costo y bajo costo)

• Sustentabilidad

• Las variedades locales (adaptadas) pueden ser cultivadas todo el año en forma recurrente

14

3.5. Fortificación de fertilizantes

• Aplicación y uso de fertilizantes con mayores concentraciones de micronutrientes (ej. Zn, Se, I), que resulta en mayores concentraciones en las porciones comestibles

• Ejemplos:

• Urea con 3% Zn, aumentó rendimiento en grano y concentración en grano en arroz y trigo.

• Aplicación de Zn y Se en trigo aumentó la biodisponibilidad de Zn y Se en grano de trigo.

• Aplicación de Se en fertilizantes (mandado por ley) y aplicado a suelos a aumentado la concentración de Se en la población

• Menos éxito con Fe (en aumentar rendimientos o acumular mayor concentración en grano), aplicado al suelo o foliar, debido a su movilidad limitada en el floema.

4. Biofortificación 4.1. Hierro

• Fortificación de salsa soya, trigo, leche, formula de infantes etc.. tiene una larga historia de éxito en zonas urbanas y suburbanas pero no en zonas rurales, pobres y aisladas

• Granos de variedades antiguas tienen mayores concentraciones de Fe que las variedades nuevas

• Proceso de “milling” remueve el endospermo remueve gran parte del Fe

• Aplicación de Fe al suelo en forma de óxidos o sulfatos (problemas)

• Aplicación de Fe al suelo en forma de quelatos (costo)

• Aplicación de Fe foliar en forma de quelatos o sulfatos (costo)

• Estas prácticas no siempre resultan en incremento en Fe en la parte comestible y que esté en la mejor forma bio-disponible

15

4.2. Iodo

• Sal iodada

• Biofortificación agronómica por fertigación: Adición de Iodato de potasio, KIO3, (al 5%) al agua de riego en China aumentó concentraciones de I en suelo 3x.

• Plantas tienen la capacidad de absorver el I mejor en forma de KIO3 que en KI.

4.3. Cobalto

• Microflora en rumiantes producen B-12 cuando tienen suficiente Co como co-factor

16

4.4. Zinc

• Cerca de la mitad de los suelos cultivados con cereales tienen deficiencias de Zn

• Factores de suelo como (pH, CaCO3, baja humedad, materia orgánica) contribuyen

• Existe un solapamiento entre áreas que existen deficiencias de Zn y suelos que hay deficiencias http://www.harvestplus.org/content/nutrients.

• Zn suelo Zn planta Zn cuerpo humano problemas con el sistema inmunológico epidemia de salud pública

• En sociedades con una dieta basada en productos farináceos deficiencias de Zn en cultivos, resultan en deficiencia de Zn en el cuerpo humano (Welch, 1993).

• El 5to factor de riesgo para contracción de enfermedades en países subdesarrollados se debe a deficiencias de Zn en cuerpo humano (WHO, 2002).

Importancia del zinc

17

4.4.1. Fuentes

• ZnSO4 7H2O

• ZnO

• Recubrir semillas

• Zn-EDTA o Zn-DTPA

4.4.2. Otros factores

• Residuos orgánicos (compostas, estiércol, abonos verdes)

• Optimización de disponibilidad de N aumento la utilización de Zn

• Rotación con cereales (producen fito-sideróforos)

• Sistema radiculares con raíces finas

• Genotipos que son tolerantes a bajas concentraciones de Zn, no necesariamente bio-acumulan mas Zn porque los procesos están controlados genéticamente por distintos mecanismos

18

4.5. Selenio

• Disponibilidad en suelos depende de pH, potencial redox, CIC, S, Fe, Al, C

• Formas: SeO4-2 (mayor movilidad y solubilidad)

SeO3-2, SeO, Se-2

19

4.6.1. Biofortificación genética

• Mucha variación dentro y entre grupos

• Se han usado las Brassicas para remediación de suelos contaminados con Se

4.6.2. Biofortificación agronómica

• Plantas utilizan de los suelos con pH 5.5 a 9.0

• Se mueve fácilmente en la planta

• Se convierte a formas orgánicas (Selenometionina) que se trasloca al grano de cereales como trigo y arroz

• Se puede aplicar al suelo o foliar (pero mayor utilización en forma de SeO4

-2)

• Nueva Zelandia (suelos con bajo contenido de Se) se suplementan forrajes para aumentar la conentración de Se en animales.

• Finlandia, desde el 1984, existe un mandato que todos los fertilizantes tienen que tener Se

20

5. Agricultura orgánica y la salud humana (Kirchmann y Bergström, 2013)

• Agricultura orgánica (USDA, FAO) - Sistema de producción agrícola que promueve la biodiversidad, optimización de los ciclos biológicos y su actividad. Está basado en el uso mínimo de insumos externos y prácticas de manejo que restauran, mantienen y mejoran la armonía ecológica

• Practicas específicas que hay que seguir por definición versus metas generales que sirven como guía para establecer principios de producción

21

5.2. ¿Puede la agricultura orgánica cumplir con la demanda de alimentos? FAO -http://www.fao.org/docrep/meeting/X0075s.htm#P92_4899

• Rendimientos son más bajos en sistemas de producción orgánico

• Se estima una reducción de 40% en los rendimientos al cambiar de un sistema convencional a un sistema orgánico (p. 245)

• Principalmente por la falta de N (p. 243)

• Depender de sistemas orgánicos requerirá mayor conversión de terrenos no utilizados para la agricultura

• Alternativas: Que la población cambie patrones alimenticios a una dieta que dependa mas de vegetales; producción convencional de forma tal que la tierra que no se utilice para la producción agrícola se revierta a sistemas naturales

• La realidad es que los sistemas agrícolas que logran mayor producción son aquellos donde se combinan la aplicación de nutrientes orgánicos e inorgánicos

5.3. Fertilización en sistemas orgánicos

• Nutrientes se añaden en formas orgánicas (o formas de baja solubilidad)

• Se espera que los cultivos logren una nutrición balanceada a través de la acción de raíces, microorganismos (mejor ambiente en la rizoesfera), solubilización de minerales del suelo

• Niveles totales pueden ser menores a los requeridos para optimizar los rendimientos

• A la larga, la utilización de nutrientes por los cultivos es en forma de iones (disueltos o mineralizados) a la solución del suelo de fertilizantes o fuentes orgánicas

• En sistemas convencionales, se fertiliza para

– Proveer los nutrientes que se han identificado como limitantes

– Reponer nutrientes que se han removido en la cosecha

22

5.4. Calidad (composición nutricional) del producto agrícola o de la comida5.4.1. N total y nitrato

• Organizaciones que promueven la agricultura orgánica sostienen que un indicador de calidad es menos N total y NO3-N

• Menos N pero es de mayor calidad de compuestos nitrogenados

• Pero la conversión de N-oxidado a proteínas es importante para la dieta humana (hay 10 amino-ácidos esenciales que no pueden ser sintetizados por humanos)

23

5.4.2. Vitamina A

• Importancia de la vitamina A (V-A) en la salud humana

• Requerimiento 800 equiv retinol (1 equiv retinol = 12 µg β-caroteno)

• β -Caroteno es el precursor de V-A

• Existen mas de 600 carotenoides específicos

• Catotenoides son pigmentos solubles en lípidos sintetizados por plantas, hongos, bacterias, algas confieren coloración amarilla, anaranjada, rojo a frutas y vegetales

• Frutas y vegetales principales fuentes de carotenoides

• Carotenoides tienen propiedades antioxidantes

• ↑ N → ↑ proteína → ↑ cloropastos (clorofilas y carotenoides) → ↑ B-caroteno

• Si la agricultura orgánica provee menos N de lo necesario, alta posibilidad de reducción en el consumo de carotenoides

5.4.3. Vitaminas B

• ↑ N → ↑ proteína ↑ V-Bs

• Alta correlación entre nivel proteico de cultivos y V-Bs

24

5.4.4. Vitamina C• Consumo recomendado es de

75 mg/día (adultos)

• Metabolito soluble en agua relacionado al metabolismo de carbohidratos (↑ glucosa ↑V-C)

• Altos niveles de N pueden reducir niveles de V-C (aproximadamente 10% menos)

5.4.5. Elementos traza

25

Resumen

• Existen limitaciones en la disponibilidad de nutrientes para sistemas de producción estrictamente orgánico

• Cuando hay, puede que estén en niveles desbalanceados

• Las dietas y composición de la excreta de rumiantes no necesariamente es la proporción nutricional que necesitan los cultivos

• En sistemas orgánicos muchos cultivos tienen mayor concentración de V-C

• Pero V-A, V-B, proteínas, nitrato se reducen