Bioaccesibilidad, biodisponibilidad y evaluación del riesgo para la salud humana por exposición a elementos traza en huertos urbanos

Izquierdo Díaz, Miguel (2018). Bioaccesibilidad, biodisponibilidad y evaluación del riesgo para la salud humana por exposición a elementos traza en huertos urbanos. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.53766.

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Title: Bioaccesibilidad, biodisponibilidad y evaluación del riesgo para la salud humana por exposición a elementos traza en huertos urbanos
Author/s:
  • Izquierdo Díaz, Miguel
Contributor/s:
  • Miguel García, Eduardo de
  • Barrio Parra, Fernando
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM)
Department: Energía y Combustibles
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En la actualidad, la humanidad se enfrenta al reto de la inseguridad alimentaria, provocado por el crecimiento exponencial de la población mundial, el calentamiento global y la alteración y degradación de los ecosistemas. Una posible solución vendría de la mano de la agricultura urbana, que durante los últimos años se ha expandido por todo el mundo, bien como un medio de subsistencia y empleo en países en desarrollo o como espacio comunitario para alcanzar un desarrollo urbanístico medioambientalmente sostenible y avanzar hacia una economía circular verde. Diversos estudios han evidenciado los beneficios ambientales, socioeconómicos y para la salud que proporciona la agricultura urbana. A pesar de ello, esta actividad no está exenta de inconvenientes, siendo la principal controversia el riesgo potencial asociado a la realización de prácticas agrícolas y al consumo de alimentos cultivados en suelos urbanos potencialmente contaminados. El objetivo principal de este trabajo ha sido realizar una evaluación precisa del riesgo para la salud humana por exposición a elementos traza en suelos de huertos urbanos y en los alimentos cultivados en ellos para garantizar la seguridad y, en su caso, plantear las medidas necesarias para disminuir la probabilidad de exposición a los contaminantes y planificar la ubicación de futuros emplazamientos de estas características. La mayoría de los estudios previos que analizan la contaminación en huertos urbanos, están basados en las concentraciones totales que se comparan directamente con los valores legales establecidos, sin considerar que los niveles reales absorbidos van a depender de la bioaccesibilidad oral y fitobiodisponibilidad de cada una de las sustancias, por lo que existe un interés creciente en incorporar estos parámetros en los modelos de evaluación del riesgo. Asimismo, en la mayor parte de estas evaluaciones se emplean valores genéricos para los parámetros de exposición, pudiendo existir diferencias por las características específicas de la población local y, además, se realiza un análisis determinista, por lo que no se dispone de información sobre la variabilidad e incertidumbre de los resultados, ni de la influencia de cada una de las variables de entrada. A todo ello hay que añadir que en los estudios anteriores no se puede discernir la fracción de los contaminantes procedente de la atmósfera o del suelo, al estar expuestos a ambos medios simultáneamente. Otro de los retos de la humanidad es la lucha contra la contaminación atmosférica, causante de millones de muertes prematuras al año. Para poder medir las concentraciones de contaminantes en el aire generalmente se recurre a técnicas fisicoquímicas costosas y complejas, pero sería interesante comprobar si se pudiera crear una de red de biomonitorización a partir de los huertos urbanos existentes y de las plantas comestibles cultivadas habitualmente en los mismos, de manera que sirvieran como bioindicadores de la exposición de la población urbana a la contaminación atmosférica. Para responder a todas las cuestiones planteadas se llevaron a cabo dos campañas de muestreo en la red de huertos urbanos comunitarios de Madrid (RedHMad), recolectándose en la primera de ellas muestras de suelo (36) y en la segunda también de lechugas (24 de cada matriz) y, por otra parte, se llevó a cabo un estudio de biomonitorización en la ciudad de Copenhague, exponiendo plantas de col y colza con sustrato de turba o vermiculita a diferentes niveles de contaminación atmosférica. Para obtener el contenido total, las muestras de suelo y vegetales fueron digeridas mediante agua regia (HNO3+HCl) y HNO3+H2O2, respectivamente, mientras que para los ensayos de bioaccesibilidad se empleó una extracción con una disolución de glicina que simula el entorno gástrico. Los análisis de las concentraciones de elementos traza se llevaron a cabo mediante espectroscopía de absorción atómica o espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente. Con el fin de determinar el riesgo por exposición a elementos traza en huertos urbanos, en primer lugar, se realizó una evaluación de tipo determinista para la población adulta e infantil empleando valores genéricos para casi todos los factores de exposición. Posteriormente se llevó a cabo una evaluación más precisa, empleando datos específicos de la población local. Por último, se efectuó un análisis del riesgo probabilístico haciendo uso del paquete EnviroPRA para el entorno de programación R y un análisis de sensibilidad de los factores de exposición. Los resultados muestran que las concentraciones de elementos traza en los suelos de los huertos urbanos superaban los niveles de referencia para varios de los elementos típicamente urbanos, asociadas a las actividades industriales históricas y al tráfico (Cd, Cu, Pb, Sb y Zn). Asimismo, el Pb y el Sb, también excedían los niveles genéricos de referencia para uso agrícola, por lo que sería recomendable realizar una evaluación de riesgos para la salud humana. Unas pocas muestras de lechugas cultivadas en los huertos urbanos sobre el suelo original también superarían el nivel máximo de Pb para hortalizas de hoja. Los valores de bioaccesibilidad estimados para cada uno de los metales pesados variaban en función del método de cálculo empleado, observándose grandes diferencias entre los distintitos elementos traza, presentando valores menores del 10 % para el Cr y mayores del 50 % para el Pb, con las implicaciones que ello tendría en las evaluaciones de riesgo. También se comprobó la influencia de las propiedades edáficas (carbonatos, materia orgánica, pH y textura) sobre la bioaccesibilidad, de manera que el conocimiento de la influencia sobre la movilidad y disponibilidad de los contaminantes, permitiría establecer criterios para la remediación de emplazamientos. Por el contrario, para la fitobiodisponibilidad no se encontró una correlación significativa entre las concentraciones de los elementos en el suelo y las acumuladas en las plantas. Los resultados de la evaluación de riesgo determinista superarían el límite permisible para la salud humana para las sustancias con efectos cancerígenos si no se considerase la bioaccesibilidad oral, mientras que con el uso de las concentraciones bioaccesibles para la ruta de ingesta de suelo, se estaría dentro del umbral de aceptabilidad, lo que pone de relieve la importancia de considerar la bioaccesibilidad en el análisis de riesgo. Por otro lado, el uso de valores por defecto tomados de la literatura científica generó unos índices de peligrosidad y de riesgo de cáncer considerablemente mayores que los obtenidos con datos específicos, lo que también demuestra la importancia de caracterizar las variables de la población local. La evaluación probabilística del riesgo efectuada para un escenario de agricultura urbana terminó de confirmar que el 95 % de la población estaría dentro de los niveles admisibles para la protección de la salud humana para efectos sistémicos y cancerígenos. Las variables de exposición más influyentes en la caracterización del riesgo fueron la frecuencia de las visitas al huerto para la ingesta accidental de suelo y la tasa de ingesta de hortalizas cultivadas para la ruta de consumo de alimentos. Se ha comprobado la viabilidad del empleo de especies comestibles como bioindicadores de la contaminación atmosférica urbana, de manera que los huertos urbanos, además de proporcionar alimentos y otros servicios comunitarios, también podrían servir para crear una red de biomonitorización para controlar la calidad del aire en las ciudades. Los productos cultivados en una zona urbana y empleando un sustrato limpio cumplirían con la legislación de seguridad alimentaria para el Cd y el Pb, los únicos dos elementos con niveles máximos establecidos según la legislación europea de los incluidos en el estudio. En consecuencia, las prácticas agrícolas y el consumo de alimentos cultivados en suelos urbanos serían seguros para la salud humana siempre que se apliquen las medidas de seguridad preventivas o de remediación adecuadas. Entre ellas se podrían incluir: investigar los usos históricos del emplazamiento; si es posible, ubicar el huerto lejos de vías de comunicación con altos niveles de tráfico y evitar zonas que hayan soportado actividades industriales o el vertido de residuos en el pasado; emplear barreras vegetales en el perímetro; utilizar como sustrato tierra y enmiendas que se tenga la certeza de que no se encuentran contaminadas; limitar el contacto directo con la tierra durante las tareas agrícolas y lavar los alimentos antes de su consumo; y realizar análisis químicos y evaluaciones del riesgo específicos en cada uno de los huertos urbanos. ----------ABSTRACT---------- Nowadays, humanity faces the challenge of food insecurity, caused by the exponential growth of world population, global warming and the alteration and degradation of ecosystems. A possible solution would come from urban agriculture, which in recent years has expanded throughout the world, either as a means of subsistence and employment in developing countries or as a community space to achieve environmentally sustainable urban development and move towards a circular green economy. Several studies have shown the environmental, socio-economic and health benefits of urban agriculture. However, this activity is not without drawbacks, being the main controversy the potential risk associated with agricultural practices and the consumption of food grown in potentially contaminated urban soils. The main objective of this work was to conduct an accurate human health risk assessment from exposure to trace elements in urban garden soils and in the food grown in them to ensure their suitability and, where necessary, to consider the required actions to reduce the likelihood of exposure to contaminants and to plan the location of future sites of these characteristics. Most of the previous studies that analyze the degree of pollution in urban gardens are based on total concentrations, which are directly compared with established legal values, without considering that the actual levels absorbed will depend on the oral bioaccessibility and phytobioavailability of each of the substances, so there is an increasing interest in incorporating these parameters in the risk assessment models. Likewise, in most of these evaluations generic values are used for the exposure parameters, and there may be differences due to the specific characteristics of the local population. In addition, a deterministic approach is usually undertaken, which means that no information is available on the variability and uncertainty of the results, nor on the influence of each of the input variables. In addition, in previous studies it is not possible to discern the fraction of pollutants coming from the atmosphere or the soil, as they are exposed to both media simultaneously. Another humanity's challenges is the fight against air pollution, which causes millions of premature deaths each year. In order to be able to measure concentrations of pollutants in the air, costly and complex physico-chemical techniques are generally used. Therefore, it would be interesting to study whether it would be possible to create a biomonitoring network from existing urban gardens and from the edible plants normally grown in them, which would serve as bioindicators of the exposure of urban population to atmospheric pollution. In order to answer all the issues raised, two sampling campaigns were carried out in the community urban gardens network in Madrid (RedHMad), collecting 36 soil samples in the first one and also lettuce samples in the second (24 of each type) and, on the other hand, a biomonitoring study was conducted in the city of Copenhagen, exposing rapeseed and kale plants with peat or vermiculite substrate to different levels of atmospheric pollution. To obtain the total content, the soil and plant samples were digested by means of aqua regia (HNO3+HCl) and HNO3+H2O2, respectively, while for the bioaccessibility tests an extraction with a glycine solution simulating the gastric environment was used. The analysis of trace element concentrations was carried out by atomic absorption spectroscopy or inductively coupled plasma mass spectrometry. In order to determine the risk from exposure to trace elements in urban gardens, first a deterministic risk assessment was conducted for adult and child receptors using generic values for almost all exposure factors. Subsequently, a more accurate assessment was carried out using specific data from the local population. Finally, a probabilistic risk assessment was carried out using the EnviroPRA package for the free software environment R, as well as a sensitivity analysis of the exposure factors. The results show that the concentrations of trace elements in the soils of urban gardens exceeded the reference levels for several of the typically urban elements associated with historical industrial activities and traffic (Cd, Cu, Pb, Sb y Zn). In addition, Pb and Sb also exceeded the soil screening levels for agricultural use, so it would be advisable to conduct a human health risk assessment. A few samples of lettuce grown in urban gardens on the original soil would also exceed the maximum Pb level for leafy vegetables. The estimated bioaccessibility values for each of the heavy metals varied depending on the calculation method used, with large differences between the different trace elements, with values lower than 10% for Cr and higher than 50% for Pb, with the implications this would imply in the risk assessments. The influence of soil properties (calcium carbonate, organic matter, pH and texture) on bioaccessibility was also confirmed, so that this knowledge of the influence on the mobility and availability of contaminants would allow establishing criteria for site remediation. On the other hand, for phytobioavailability no significant correlation was found between the concentrations of the elements in the soil and the plants. The results of the deterministic risk assessment would exceed the permissible limit for human health for substances with carcinogenic effects if oral bioaccessibility was not considered, whereas with the use of bioaccessible concentrations for the soil intake pathway, it would be within the acceptability threshold, highlighting the importance of considering bioaccessibility in risk analysis. On the other hand, the use of default values taken from the scientific literature yielded considerably higher hazard quotients and cancer risk than those obtained with specific data, which also demonstrates the importance of characterizing local population variables. The probabilistic risk assessment carried out for an urban agriculture scenario further confirmed that 95 % of the population would be within acceptable levels for the protection of human health for systemic and carcinogenic effects. The most influential exposure variables in the risk characterization were the visiting frequency to the urban garden for incidental soil intake and the vegetables ingestion rate for the food intake pathway. The viability of using edible species as bioindicators of urban air pollution has been demonstrated, which means that urban gardens, in addition to providing food and other community services, could also serve to establish a biomonitoring network to biomonitor air quality in cities. Products grown in an urban area and using a clean substrate would comply with food safety legislation for Cd and Pb, the only two elements with maximum levels established under European legislation of those included in the study. Consequently, agricultural practices and consumption of food grown on urban soils would be safe for human health if preventive safety measures or appropriate remediation actions are applied. These could include: exploring historical uses of the site; if possible, locating the urban garden away from highways with high levels of traffic and avoiding areas that have supported industrial activities or waste dumping in the past; using perimeter plant barriers; employing as substrate soil and amendments that are certain not to be contaminated; limiting direct contact with soil during agricultural work and washing food before consumption; and conducting specific chemical analyses and risk assessments in each of the urban gardens.

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Item ID: 53766
DC Identifier: http://oa.upm.es/53766/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:53766
DOI: 10.20868/UPM.thesis.53766
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 30 Jan 2019 08:00
Last Modified: 30 Jul 2019 22:30
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