Descripción de las variantes y muestreo

Para el estudio se conformaron canteros de 3 m de largo por 1 m de ancho para cada caso, en el Instituto de Suelos y en la Unidad de Ciencia y Técnica de Base del Instituto de Suelos en Guantánamo. La descripción de las variantes se muestra en la Tabla 1.

Los suelos que se utilizaron para preparar las variantes se clasificaron según la Clasificación de los Suelos de Cuba (9) y fueron tomados en zonas de bosques pequeños o secundarios, con un historial de no haber sido fertilizadas, ni utilizadas para la agricultura y la ganadería; así como encontrarse alejadas de fuentes de contaminación por MP en un período de 50 años o más, con lo cual se garantizó una mínima alteración por acción antrópica. Los compost de residuos sólidos urbanos (RSU) proveniente de basura doméstica utilizados como abonos orgánicos en las variantes IV, VIII, IX, XI y XII se obtuvieron a partir de los RSU procedentes de los Centros de Procesamiento de Residuos Sólidos Urbanos (CEPRU) “Sur Isleta” y “Los Cocos”, que procesan la basura doméstica clasificada antes de conformar los burros para la producción de compost y del CEPRU “Vilonio” que solo procesa residuos de cosecha, en la provincia de Guantánamo. El compost de Estiércol Vacuno correspondiente a la variante XI provino del organoponico “Las Margaritas”, ubicado en el municipio Marianao del La Habana y los restantes abonos orgánicos del Centro de Producción de Abonos Orgánicos del Cotorro, en La Habana.

En cada sustrato preparado se sembraron los cultivos que se refieren en la Tabla 1, en forma de sucesión en el siguiente orden (lechuga-acelga y pimiento-rábano). Los suelos y los abonos orgánicos se muestrearon al preparar el sustrato, de forma aleatoria. Las muestras de sustratos se tomaron a una profundidad de 0-20 cm al inicio de la siembra y las hortalizas en el momento de la cosecha. Tanto el muestreo de los sustratos como de las plantas, se realizó en forma de zigzag a lo largo de cada cantero, de acuerdo con la norma (10). En todos los casos se tomaron tres muestras compuestas de entre 15 y 20 muestras simples cada una. Los suelos, sustratos y los abonos orgánicos muestreados se secaron al aire y se pasaron por un tamiz de 2 mm de acuerdo a la norma cubana (11). Las muestras de plantas se lavaron, secaron en una estufa a 45 ^oC hasta peso constante y fueron molidas a tamaño de 74 µm.

Extracción y determinación de los contenidos de MP en suelos, sustratos, abonos orgánicos y plantas

La extracción de los contenidos seudototales de Cd y Pb en las muestras de suelos, sustratos, abonos orgánicos y planta se realizó mediante el procedimiento descrito en la Norma USEPA 3051A (12). Se pesaron 0,50 g de cada muestra y se le añadieron 12 mL de aqua regia invertida, mezcla de ácidos nítrico (HNO₃) y clorhídrico (HCl) puros para análisis (Merck PA), en relación 3:1. Se utilizó un horno microondas para la digestión (Mars Xpress Microwave), donde se fijaron, para las muestras de suelos, sustratos y abonos orgánicos, 10 minutos para alcanzar el máximo de 175 ^oC de temperatura, 10 minutos de mantenimiento y 15 minutos para el proceso de enfriamiento; mientras que para las plantas fueron 15 minutos para alcanzar el máximo de 180 ^oC, 10 de mantenimiento y 15 para el enfriamiento. Para la determinación de los contenidos de Cd y Pb se utilizó un Espectrómetro de Emisión Óptica (ICP-OES/Optima 7000, Perkin Elmer).

Para el análisis de los datos se utilizó el paquete estadístico IBM-SPSS 20 con parámetros sencillos de la estadística descriptiva, la media de la población y la desviación estándar como medida de la dispersión. Se utilizó como referencia comparativa para las hortalizas de hojas y de frutos carnosos y de raíces, los valores permisibles para cada elemento, en masa fresca, de acuerdo al Codex alimentario (13). Para los suelos fueron utilizados los límites permisibles que se describen (14) y para los sustratos y AO los que aparecen en Normativa (15).

Determinación de los valores permisibles de Cd y Pb en abonos orgánicos

Con el fin de determinar los rangos permisibles de Cd y Pb en los AO utilizados para la producción de hortalizas, se utilizó una adaptación de la metodología para la obtención de valores críticos de microelementos en suelos, descrita por Trierweiler y Lindsay en 1969 (16). La adaptación de ésta metodología consistió en separar estadística y gráficamente los AO que contaminaron a las hortalizas utilizadas como plantas indicadoras de la contaminación por Cd y Pb, de los AO que no contaminaron. Se estableció una relación entre dos pares de variables cuantitativas utilizando la estadística descriptiva mediante el paquete estadístico IBM-SPSS 20. Una variable fue el contenido de Cd y Pb en los abonos orgánicos, el cual se relacionó con el contenido de dichos metales en las hortalizas de hoja (lechuga y acelga) y posteriormente con el contenido en las hortalizas de frutos carnosos y de raíces (pimiento y rábano), siempre utilizando los valores permisibles del Codex alimentario (13).

Contenidos de MP en abonos orgánicos, suelos y sustratos

La Tabla 2 muestra el contenido de Cd y Pb en los abonos orgánicos que se utilizaron en cada variante y su comparación con los límites máximos permisibles correspondientes a la norma (15). Los valores de Cd y Pb en los abonos orgánicos, con la excepción de los compost obtenidos a partir de los RSU de basura doméstica, se encuentran por debajo de los límites permisibles, lo cual afirman que estos abonos orgánicos, desde el punto de vista de sus contenidos en MP, pueden ser utilizados en la producción de hortalizas en los organopónicos, sin causar daños a la salud humana.

Para el caso de los compost de RSU procedentes de la basura doméstica, los contenidos de Cd y Pb se encuentran por encima de los límites establecidos, por contener productos que son fuentes de MP; por tal razón estos materiales orgánicos no deben usarse para la producción de alimentos. Siendo posible su uso, en dependencia de su contenido en MP, en viveros, forestales y plantas ornamentales. Resultados similares fueron encontrados en otras investigaciones (17), en las que se refiere que contenidos de Pb en el humus de lombriz obtenido a partir de los RSU, son mayores que en el que se obtiene a partir de la cachaza y el estiércol vacuno, fenómeno que relacionó con materiales presentes en los RSU que son fuentes contaminantes de MP. Los contenidos de Cd y Pb en los suelos SFRT, SPSM y SPSC utilizados para preparar las variantes se encuentran por debajo de los límites máximos permisibles, por lo que no están contaminados.

En la Tabla 3 se observan las variantes estudiadas, así como los correspondientes límites permisibles. Las variantes donde el abono orgánico utilizado se encuentra contaminado ver (Tabla 2), el sustrato también presenta contenidos superiores a los límites máximos permisibles establecidos para sustratos (15).

De lo anterior se deriva que la contaminación de los sustratos es debido a los abonos orgánicos, ya que los suelos están por debajo de los LMP. La concentración de los MP en los sustratos resultó variable debido a la heterogeneidad de los materiales. La variabilidad es un elemento importante a considerar porque los valores reales, en algunos puntos, pudieran ser superiores a los obtenidos (18).

El resultado permite afirmar que estos sustratos contaminados no pueden utilizarse en la producción de alimentos porque pueden traslocarse los MP a las hortalizas producidas con ellos y afectar directamente a los organismos vivos. Los MP, especialmente Cd y Pb, afectan diversos órganos y tejidos produciendo insuficiencia renal crónica, incremento en colesterol, afectaciones en los huesos, los testículos, la placenta, el hígado, los pulmones, el corazón y el sistema nervioso central y periférico; incluso pueden llegar a provocar cáncer y finalmente la muerte (19-21).

Valores permisibles de Cd y Pb en abonos orgánicos

Las Figuras 1 y 2 muestran la relación entre los contenidos de Cd en los AO y su contenido en las hortalizas de hojas y de fruto carnosos y de raíces cultivadas con la aplicación de ellos. Cuando la concentración de Cd en el abono orgánico es igual o superior a 3 mg kg^-1, su contenido tanto en la hortaliza de hoja como de fruto carnoso o de raíces, cultivada con el uso de ese abono orgánico, sobrepasa el límite máximo establecido por el Codex Alimentario utilizados como criterio de evaluación (13), lo cual la hace no apta para el consumo humano; por el contrario, cuando el contenido de Cd en el abono orgánico es inferior a 2 mg kg^-1 no constituye riesgo de contaminación a las hortalizas. Por tal motivo, se puede considerar 2-3 mg kg^-1 de Cd en los abonos orgánicos como rango permisible del metal en estos productos, lo cual indica que sólo los AO que presenten concentraciones de Cd por debajo del menor valor del rango, pueden utilizarse en la producción de hortalizas.

Para el caso del Pb (Figura 3), concentraciones iguales o superiores a 150 mg kg^-1 en el abono orgánico contaminan las hortalizas de hojas, de acuerdo con los límites máximos permisibles de MP en las hortalizas frescas. Sin embargo, cuando el valor de Pb en el abono orgánico es inferior a 140 mg kg^-1, no ocurre contaminación de los cultivos. De tal forma, se puede plantear que 140-150 mg kg^-1 de Pb en los AO es el rango permisible de Pb en estos productos orgánicos, lo cual indica que sólo los AO que presenten contenidos de Pb en los AO por debajo del menor valor del rango, pueden utilizarse en la producción de hortalizas de hojas.

Cuando se analiza el contenido de Pb en las hortalizas de fruto con relación al contenido de Pb en el abono orgánico utilizado para su producción (Figura 4), se observa un comportamiento similar al encontrado en las hortalizas de hojas, es decir, los AO con valores inferiores a 140 mg kg^-1 pueden utilizarse para producir hortalizas con bajo riesgo para la salud humana; mientras que, una concentración igual o superior a 150 mg kg^-1 pueden contaminar las hortalizas que consume el hombre y provocar daños graves a su salud (22).

En correspondencia con lo anterior, se establecen los valores 2-3 mg kg^-1 para el Cd y 140-150 mg kg^-1 para el Pb como rangos de límites máximos permisibles de estos metales para los AO que se utilicen en la producción de alimentos, especialmente hortalizas. Esta propuesta coincide con lo referido en la regulación española RD 824/2005 para los compost de clase B y clase C, con la Etiqueta Ecológica Decisión 2001/688 y la resolución 2^nd Draft B.T/2001 para compost de segunda categoría de la Comunidad Europea y con la Instrucción Normativa de Brasil para fertilizantes orgánicos (15,23). Resulta necesario profundizar en estos estudios de forma tal que se logre obtener una propuesta final de estos límites máximos permisibles de Cd y Pb.

Description of variants and sampling

For the study, beds 3 m long by 1 m wide were formed for each case, at the Soil Institute and at the Basic Science and Technology Unit of the Soil Institute in Guantánamo. The description of the variants is shown in Table 1.

Soils used to prepare variants were classified according to the Cuban Soil Classification (9) and they were taken from areas of small or secondary forests, with a history of not having been fertilized, nor used for agriculture and livestock; as well as being far from sources of contamination by HM in a period of 50 years or more, which guaranteed a minimum alteration by anthropic action. The municipal solid waste (MSW) compost from domestic garbage used as organic manures in variants IV, VIII, IX, XI and XII were obtained from MSW from the Municipal Solid Waste Processing Centers (CEPRU according the Spanish acronyms) "Sur Isleta" and "Los Cocos", which process classified domestic garbage before forming the donkeys for compost production, and from the CEPRU "Vilonio" which only processes harvest waste, in Guantánamo province. The cow dung compost corresponding to variant XI came from the organoponic "Las Margaritas", located in the Marianao, Havana municipality and the remaining organic manures from the Organic Fertilizer Production Center from Cotorro, in Havana.

In each substrate prepared, crops referred to in Table 1 were sown in succession in the following order (lettuce-chard and pepper-radish). Soils and organic manures were sampled at the time of substrate preparation, in a random manner. Substrate samples were taken at a depth of 0-20 cm at the beginning of sowing and vegetables at the time of harvest. Both substrates and plants were sampled in a zigzag pattern along each bed, according to the standard (10). In all cases, three composite samples of between 15 and 20 single samples each were taken. Soils, substrates and organic manures sampled were air- dried and passed through a 2 mm sieve according to the Cuban standard (11). Plant samples were washed, dried in an oven at 45 ºC to constant weight and ground to 74 m size.

Extraction and determination of HM contents in soils, substrates, organic manures and plants

Extraction of the pseudo-total Cd and Pb contents in the soil, substrate, organic fertilizer and plant samples was performed using the procedure described in USEPA Standard 3051A (12). 0.50 g of each sample was weighed and added 12 mL of aqua regia invert, a mixture of pure nitric (HNO₃) and hydrochloric (HCl) acids for analysis (Merck PA), in a 3:1 ratio. A microwave oven was used for digestion (Mars Xpress Microwave), where, for soil, substrate and organic fertilizer samples, 10 minutes were set to reach a maximum temperature of 175 ºC, 10 minutes for maintenance and 15 minutes for the cooling process; while for plants, 15 minutes were set to reach a maximum temperature of 180 ºC, 10 minutes for maintenance and 15 minutes for cooling. An Optical Emission Spectrometer (ICP-OES/Optima 7000, Perkin Elmer) was used to determine the Cd and Pb contents.

For data analysis, the IBM-SPSS 20 statistical package was used with simple descriptive statistics parameters, the population mean and the standard deviation as a dispersion measure. The permissible values for each element, in fresh mass, according to the Food Codex (13) were used as a comparative reference for leafy vegetables and fleshy fruits and roots. For soils, the permissible limits described (14) were used, and for substrates and OMs, those appearing in the Standards were used (15).

Determination of permissible values for Cd and Pb in organic manures

In order to determine the permissible ranges of Cd and Pb in the OMs used for vegetable production, an adaptation of the methodology for obtaining critical values of microelements in soils, described by Trierweiler and Lindsay in 1969, was used (16). The adaptation of this methodology consisted of separating statistically and graphically the OMs that contaminated the vegetables used as indicator plants for Cd and Pb contamination from the OMs that did not contaminate. A relationship was established between two pairs of quantitative variables using descriptive statistics with the IBM-SPSS 20 statistical package. One variable was the content of Cd and Pb in the organic manures, which was related to the content of these metals in leafy vegetables (lettuce and chard) and subsequently to the content in vegetables with fleshy fruits and roots (bell pepper and radish), always using the permissible values of the Food Codex (13).

PM content in organic manures, soils and substrates

Table 2 shows the Cd and Pb content in organic manures used in each variant and their comparison with the maximum permissible limits corresponding to the standard (15). The values of Cd and Pb in the organic manures, with the exception of the compost obtained from MSW from household garbage, are below the permissible limits, which affirms that these organic manures, from the point of view of their HM contents, can be used in the production of vegetables in organoponics, without causing harm to human health.

In the case of MSW compost from household garbage, the Cd and Pb contents are above the established limits because they contain products that are sources of HM; for this reason, these organic materials should not be used for food production. However, depending on their HM content, they can be used in nurseries, forestry and ornamental plants. Similar results were found in other research (17), in which it is reported that Pb contents in the earthworm humus obtained from MSW are higher than in those obtained from cow dung and cattle manure, a phenomenon that is related to materials present in MSW that are polluting sources of HM. The Cd and Pb contents in the SRFT, SBSF and SBSC soils used to prepare variants are below the maximum permissible limits, so they are not contaminated.

Table 3 shows variants studied, as well as the corresponding permissible limits. The variants where the organic fertilizer used is contaminated (Table 2), the substrate also presents contents above the maximum permissible limits established for substrates (15).

From the above, it is derived that the contamination of the substrates is due to the organic manures, since the soils are below the LPM. HM concentration in substrates was variable due to the heterogeneity of materials. Variability is an important element to consider because the real values, in some points, could be higher than those obtained (18).

The result allows affirming that these contaminated substrates cannot be used in food production because HM can be translocated to vegetables produced with them and directly affect living organisms. HM, especially Cd and Pb, affect various organs and tissues, producing chronic renal insufficiency, increased cholesterol, bone, testicles, placenta, liver, lungs, heart, and the central and peripheral nervous system; they can even cause cancer and finally death (19-21).

Permissible values of Cd and Pb in organic manures

Figures 1 and 2 show the relationship between Cd contents in OMs and its content in leafy and fleshy fruit and root vegetables grown with the application of them. When the Cd concentration in the organic fertilizer is equal to or higher than 3 mg kg^-1, its content in both leafy and fleshy fruit or root vegetables grown with the use of this organic fertilizer exceeds the maximum limit established by the Food Codex used as an evaluation criterion (13), which makes them unfit for human consumption; on the contrary, when the Cd content in the organic fertilizer is lower than 2 mg kg^-1 it does not constitute a risk of contamination to vegetables. For this reason, 2-3 mg kg^-1 of Cd in organic manures can be considered as the permissible range of the metal in these products, which indicates that only OMs with Cd concentrations below the lower value of the range can be used in vegetable production.

In the Pb case (Figure 3), concentrations equal to or higher than 150 mg kg^-1 in compost contaminate leafy vegetables, in accordance with the maximum permissible limits for PM in fresh vegetables. However, when the Pb value in compost is lower than 140 mg kg^-1, no contamination of crops occurs. Thus, it can be stated that 140-150 mg kg^-1 Pb in OMs is the Pb permissible range in these organic products, which indicates that only OMs with Pb contents in OMs below the lower value of the range can be used in the production of leafy vegetables.

When the Pb content in fruit vegetables is analyzed in relation to the Pb content in the organic fertilizer used for their production (Figure 4), a behavior similar to that found in leaf vegetables is observed, i.e., OMs with values below 140 mg kg^-1 can be used to produce vegetables with low risk to human health; whereas, a concentration equal to or higher than 150 mg kg^-1 can contaminate vegetables consumed by humans and cause serious damage to their health (22).

Corresponding to the above, the values 2-3 mg kg^-1 for Cd and 140-150 mg kg^-1 for Pb are established as maximum permissible limit ranges for these metals for OMs used in food production, especially vegetables. This proposal coincides with what is referred to in the Spanish regulation RD 824/2005 for class B and class C compost, with the Ecolabel Decision 2001/688 and the resolution 2^nd Draft B.T/2001 for second category compost of the European Community and with the Brazilian Normative Instruction for organic manures (15,23). It is necessary to deepen these studies in order to obtain a final proposal of these maximum permissible limits of Cd and Pb.