Uso de Quelatos Férricos en Agricultura

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Autor: Juan José Lucena Marotta. 
Dpto. Química Agrícola Universidad Autónoma. 28049 Madrid
www.infoagro.com

La clorosis férrica

El hierro es un elemento esencial para los cultivos. Esto es, las plantas no pueden realizar su ciclo vital su ausencia, ya que está involucrado en el metabolismo de la planta de una manera específica. Está involucrado en la síntesis de clorofilas, y participa de un buen número de sistemas enzimáticos importantes para el metabolismo de las plantas. Su deficiencia se denomina clorosis férrica y se caracteriza, de forma visual, por un amarilleamiento intervenal de las hojas jóvenes. Como consecuencia de la clorosis férrica, las plantas se desarrollan peor, teniendo menor vigor y una menor producción. La clorosis es consecuencia del efecto que distintos factores tienen sobre la absorción y distribución de hierro por las plantas y que es debido a la suma de varios procesos. Estos procesos, esquematizados en la figura 1, se han de dar a una velocidad suficiente como para suplir las necesidades férricas de la planta y son:

  • Solubilización de los oxihidróxidos de hierro de los suelos, por lo general muy insolubles, tanto más cuanto más elevado es el pH del suelo.

  • Transporte de Fe soluble hacia las raíces: Este transporte viene ralentizado por las bajas concentraciones de Fe y por las retenciones que este elemento sufre sobre distintos materiales edáficos. La presencia de transportadores sería muy beneficiosa.

  • Absorción de hierro por las raíces jóvenes de las plantas. Este proceso está muy influenciado en por el pH, el bicarbonato y presencia de caliza del suelo. De manera general las plantas son capaces de reducir el Fe(III) en la superficie de la raíz y formar Fe(II) que es la especie química que las plantas pueden tomar. Existen variedades denominadas eficientes o resistentes con un mecanismo de absorción mucho más eficaz que las variedades susceptibles. En deficiencia de hierro, plantas eficientes dicotiledóneas y monocotiledóneas no gramíneas (plantas de la estrategia I) son capaces de incrementar el poder reductor de las raíces, se liberan ácidos y reductores, a la vez que la morfología de las raíces cambia. En gramíneas eficientes se liberan fitosideróforos, quelantes específicos de hierro que lo toman del suelo para luego entrar de nuevo en la planta.

Figura 1: Esquema del proceso de absorción de Fe

  • Transporte hacia la parte aérea de la planta y su posterior distribución, también impedido por elevados contenidos de bicarbonato en el suelo. En presencia de bicarbonato o de altos contenidos de nitrato el Fe se inmovilizaría en la planta, de manera similar a la del suelo. El mecanismo de entrada en las células estaría impedido. En estos casos el Fe total puede ser elevado (incluso más que en hojas verdes) pero la planta sufriría de clorosis. Es lo que se denomina la paradoja del hierro. 

Por tanto la clorosis no es consecuencia de la falta de hierro en el suelo, donde es uno de los elementos más abundantes (3,8% de media), sino que es producida por su baja movilidad. Los factores que más inciden en esta baja movilidad son los elevados pH y presencia de bicarbonato, mantenida por la caliza activa del suelo.

Las soluciones a la clorosis férrica que han sido ensayadas son las siguientes:

  • Genética: selección de variedades más resistentes que sean capaces por sí mismas de extraer el abundante Fe presente en suelos, o inclusión de los genes que regulan los mecanismos de eficiencia. En el futuro será la solución más definitiva, pero los procesos de selección son lentos, y a veces las nuevas variedades presentan otros inconvenientes. Además la regulación de la resistencia a la clorosis implica varios genes y aún no se conoce que factores son necesarios para su expresión.

  • Mejora de las condiciones del suelo para que se facilite el transporte de hierro

Figura 2: Absorción de Fe en presencia de quelato férrico

  • Mejor manejo de suelos y cultivos: Cualquier técnica de cultivo que favorezca la aireación permitirá que se desarrollen mejor raíces jóvenes. La adición de materia orgánica estabilizada, a la vez que mejora la estructura del suelo puede complejar el Fe. Igualmente el uso de acidificantes en zonas localizadas del suelo puede favorecer puntualmente una mejora de la nutrición férrica. Así, se recomienda incrementar la nutrición amoniacal sobre la nítrica en la medida de lo posible.

  • Uso de fertilizantes

    • Inorgánicos: No es eficaz porque precipitan y sólo vienen a incrementar el ya abundante hierro del suelo.

    • Acomplejantes, con efecto muy dudoso o irregular. Serían moléculas, principalmente orgánicas, capaces de aislar al hierro de la influencia de los agentes adversos del suelo (pH y bicarbonato). Destaca el uso de complejantes orgánicos (quelatos naturales)

    • Quelatos sintéticos, como caso especial de los acomplejantes en que las uniones con el hierro son múltiples y de elevada estabilidad.

 

Los quelatos 

En la actualidad es el uso de quelatos la forma más eficaz de corregir la clorosis y esto es así por su especial forma de acción, diferente al del resto de los fertilizantes. Mientras que en cualquier otro tipo de fertilizante el principio activo es el propio elemento que van a aportar, en los quelatos férricos esto no es así. Ya hemos comentado que en el suelo hay suficiente hierro, por lo que es el agente quelante que lo acompaña el responsable principal de su acción. Los quelatos (ver figura 2) deben: 1º incrementar la solubilización de hierro, 2º transportarlo hacia la raíz de la planta, 3º ahí deben ceder el Fe y 4º la parte orgánica del quelato debe volver a solubilizar más hierro. Es aquí donde el quelato actúa de modo bien diferente al resto de los fertilizantes. Así, por ejemplo un potasio añadido al suelo será aprovechado o no, pero un quelato no sólo aportará el hierro que con el se aplica al cultivo, sino que puede aumentar el aprovechamiento del hierro nativo del suelo

 

Figura 3: Estructura química de los agentes quelantes específicos de Fe

 

La eficacia de un quelato dependerá, por tanto de la capacidad que éste tenga en realizar estos cuatro procesos y de resistir a los factores contrarios como el alto pH, bicarbonato, competencia por otros metales, adsorción sobre los materiales del suelo y resistencia a la degradación de la molécula orgánica. De los quelantes existentes, EDTA, HEDTA y DTPA, recogidos en la directiva Europea de fertilizantes complejan más adecuadamente Zn y Mn, por lo que no son efectivos para el hierro. o,o-EDDHA, o,o-EDDHMA, o,o-EDDCHA, también recogidos en la directiva CE sobre fertilizantes, y EDDHSA (aceptado en las legislaciones Francesa e Italiana) formarían los quelatos más estables, ya que rodean al hierro perfectamente y lo aíslan del medio (figura 3). La molécula de EDDHA se sintetiza con varias posibilidades de isómeros orto-orto, orto-para y para-para, de los cuales únicamente la forma orto-orto sería la estable. La estructura del o,o-EDDHA, más concretamente la presencia en la molécula del grupo fenolato con el hidroxilo en orto respecto de la cadena de carácter aminocarboxílico, determina la estabilidad de su quelato férrico a pH elevados y en presencia de numerosos iones interferentes. Este hecho confiere a los productos de Fe(III)-o,o-EDDHA y homólogos una eficacia para mantener Fe en disolución en suelos calizos, muy superior al resto de agentes quelantes derivados de los ácidos poliaminocarboxílicos como el EDTA, DTPA o HEDTA que no presentan en su estructura el grupo fenolato, y que el o,p-EDDHA o el p,p-EDDHA que no tienen los dos hidroxilos en orto.

 

Figura 4: Isómeros racémico y meso del Fe(III)-EDDHA (http://www.soils.wisc.edu/~barak/images/chelate.htm

El o,o-EDDHA y los compuestos homólogos poseen dos formas isoméricas (isomería óptica) que a la hora de quelar Fe presentarían dos disposiciones espaciales diferentes (isomería geométrica), y corresponden con los isómeros meso y el racémico. La figura 4 muestra la estructura química de los isómeros geométricos del complejo férrico formado con el EDDHA. Se puede observar como el Fe(III) se coordina octaédricamente con el EDDHA, obteniéndose un compuesto con estructura de anillo que protege al Fe de su precipitación y del ataque de oxidantes. 

En resumen la clorosis férrica no es un problema de falta de hierro sino de su baja movilidad en el suelo. Su solución pasa por aumentar esta movilidad y el mejor método es el uso de quelatos. De los disponibles en el mercado, sólo aquellos que tienen alta afinidad por el hierro y que serían capaces de movilizar el hierro nativo del suelo transportándolo hasta la rizosfera serían eficaces. Estos productos son los Fe-ooEDDHA y sus homólogos EDDHMA, EDDCHA y EDDHSA. Un problema es que la síntesis de estos productos conlleva la aparición de otros compuestos sin valor agronómico y que reducen en gran manera la riqueza de los productos y por tanto su eficacia en el campo.

 

3. MÉTODOS DE ANÁLISIS DE QUELATOS FÉRRICOS

Desde su aparición en el mercado, en los años 50, ha habido una laguna en cuanto a los métodos de análisis de quelatos, dado que son moléculas complejas, y que, como ya hemos comentado, pueden sintetizarse en compañía de una elevada cantidad de subproductos que dificultan el análisis. En la actualidad y gracias a las nuevas técnicas de separación y análisis, sobretodo las cromatográficas se dispone de métodos fiables que pueden utilizarse para cuantificar los quelatos.

Puesto que la molécula de quelato presenta dos componentes, el hierro y el agente, y dado que la legislación exige información sobre ambos componentes, existen, métodos que tratan de cuantificar el Fe y sus fracciones y otros que tratan de cuantificar el quelato propiamente dicho. 

  

3.1. Métodos que determinan las formas de hierro

Destacamos aquí la determinación de hierro soluble, que implica la disolución y determinación por espectroscopía de AA o ICP de la fracción soluble de Fe de la muestra de quelato. Este método es oficial dentro de la CE.

Otro método propuesto por el CEN para su aprobación en la CE es el que proporciona el total de elemento complejado. Su aplicación es principalmente para mezclas de micronutrientes. Este método consiste en cuantificar el hierro (y otros micronutrientes) que permanece en disolución después de hacer interaccionar la muestra de quelato disuelta con una resina catiónica, de modo que únicamente la fracción de Fe complejada, con carga negativa o neutra sería determinada. Este método no distingue la forma química del complejo, por lo que cualquier complejante (citrato, NTA, EDTA, o,p-EDDHA, etc) contribuiría al resultado final del análisis. Además, dado las características químicas del hierro es imposible que exista Fe en disolución que no esté acomplejado a los pH típicos de los fertilizantes, por lo que los resultados obtenidos por el método de Fe soluble y por el de las resinas deben ser prácticamente coincidentes. En un ensayo interlaboratorio obtuvimos en nuestro laboratorio los resultados mostrados en la figura 5 para 15 muestras de EDDHA, que declaraban tener un 6% de Fe soluble. Se aprecia claramente el resultado concordante de ambos métodos.

 

Figura 5: Contenido en Fe soluble y complejado en muestras de EDDHA

  

3.2 Determinación del quelato

Para la determinación del Fe-quelado de los quelatos férricos se han propuesto dos tipos de métodos: los colorimétricos, claramente en desuso por la gran cantidad de intereferentes existentes, y los cromatográficos utilizados actualmente, mediante los cuales se separan el quelato férrico de otros componentes presentes en la formulación y se cuantifica de forma aislada la cantidad de quelato.

Se han empleado muy diversas técnicas cromatográficas como son: cromatografía en papel (Hill-Cottingham, 1962), cromatografía en capa fina, cromatografía en columna de vidrio preparativa (Boxema, 1979) y cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC) (Barak y Chen, 1987; Deacon y col., 1994; Lucena y col., 1996; Hernández-Apaolaza y col., 1997).

 

Figura 6: Contenido en Fe quelado en muestras de EDDHA

  

 

Figura 7: Fe quelado en muestras de Fe-EDDHMA

 

En colaboración con la Universidad de Wisconsin, hemos desarrollado han desarrollado un método de cromatografía de par-iónico mediante HPLC para la identificación y determinación Fe(III)-EDTA, Fe(III)-DTPA, Fe(III)-EDDHA y Fe(III)-EDDHMA (Lucena y col.,1996). Se trata de un método isocrático que utiliza como fase estacionaria una columna C-18 y como fase móvil una disolución acuosa de 30% de acetonitrilo y 0,03 M de TBOH a pH = 6,0 y que se ha mostrado aplicable a formulaciones comerciales (Hernández-Apaolaza y col., 1997). Con este método, la separación y la identificación de los picos correspondientes a los diferentes quelatos férricos, son obtenidas con una buena resolución y selectividad, incluyendo la separación de los diastereoisómeros de los productos que los presentan, y todo ello en un tiempo de análisis inferior a 15 minutos, lo cual supone una notable mejora con respecto a los métodos previamente descritos. Hernández-Apaolaza (1997) aplica este método a varias formulaciones comerciales de Fe(III)-EDDHSA obteniendo los picos correspondientes a los dos diastereoisómeros a tiempos de retención muy altos con respecto al resto de los quelatos férricos analizados con.ese mismo método. 

Otro médodo alternativo es el estudiado por el CEN para su propuesta como método oficial de análisis de quelatos en el ámbito Europeo. Este método, modificado a partir del de Barak y Chen, 1987, limitado a productos no formulados en mezclas, se basa en la cromatografía iónica. Como columna se utiliza una resina aniónica empaquetada en una precolumna utilizando como eluyente una disolución ácida de sulfato. Con este método no se separan los diastereoisómeros, y la resolución y selectividad es inferior a la del método de Lucena y col, 1996. De hecho en la cuantificación de los productos EDDHMA incluye otros isómeros posicionales del metilo, producidos en la síntesis.

En el ensayo interlaboratorio anteriormente mencionado se analizaron igualmente las muestras por ambos métodos cromatográficos. En la figura 6 se presentan los obtenidos por nuestro laboratorio para 15 productos Fe-EDDHA y en la figura 7 para 10 productos Fe-EDDHMA. Ambos métodos proporcionan resultados similares para los quelatos Fe-EDDHA, con la desventaja para el método CEN de que no proporciona los datos sobre subproductos ni la distribución de los isómeros geométricos. Para los quelatos Fe-EDDHMA las diferencias son mayores, y esto se debe a que el método de Lucena et al, 1996, distingue el quelato Fe-EDDHMA de otros isómeros posicionales del metilo (indicados como "otro EDDHMA" en la figura). De hecho si sumamos estos otros quelatos al determinado como Fe-EDDHMA los resultados son más coincidentes. El método del CEN tampoco es capaz de distinguir productos como el FeEDDH5MA (grupo metilo en posición 5) que es el agente quelante de los productos 1 y 5 en vez del Fe-EDDHMA. Un dato que se aprecia claramente es que en ninguno de los productos analizados se alcanza el 6% indicado en la composición, y sólo un producto con Fe-EDDHA y otro con Fe-EDDHMA rondan el 80% de este 6% (4.8%) permitido por la legislación.

La cuantificación de los quelatos férricos, además de métodos adecuados requiere de la disponibilidad de patrones. Si bien hasta hace poco se podía obtener EDDHA de elevada pureza como reactivo, en la actualidad no hay ningún distribuidor que lo comercialice. Para que un patrón pueda ser utilizado se requiere que se conozca su pureza establecida por RMN, y corroborada por HPLC, así como su capacidad complejante, que puede ser obtenida por valoración fotométrica con un patrón de hierro. Los patrones utilizados en nuestro laboratorio, aparte del EDDHA obtenido hace años de la fuente comercial, han sido preparados por nuestros colaboradores del Departamento de Química Orgánica I de la UCM y comprobados por las técnicas anteriormente descritas. La falta de obtención aún de un patrón de EDDHSA ni de EDDCHA hace que su cuantificación exacta no sea posible. Además, en estos productos se aprecia la existencia de quelatos de distintas estequiometrías que no son cuantificados adecuadamente por las técnicas de HPLC descritas. 

  

4. ANÁLISIS DEL MERCADO ESPAÑOL DE QUELATOS

Recientemente Álvarez-Fernández, 2000, ha publicado, como parte de su tesis doctoral desarrollada en nuestro laboratorio un estudio en el que recoge las características de 80 productos, la mayoría de ellos comercializados durante 1998, algunos de 1999 y otros anteriores. Entre las conclusiones de este trabajo destacamos:

  • Falta de rigurosidad en la relación de datos detallados en el etiquetado en cuanto al agente quelante (¡El 25% de los productos analizados no contienen el agente quelante declarado en la etiqueta!), % Fe soluble, % Fe quelado e intervalo de pH en el que es estable la fracción quelada.

  • Los contenidos de Fe quelado del 98,8% de los productos Fe-EDDHA y Fe-EDDHMA no alcanza el valor que requiere la legislación. En las figuras 8 y 9 se presentan los diagramas de frecuencia para Fe-EDDHA y Fe-EDDHMA que indican la proporción de productos que contienen una concentración de Fe-quelado dentro del intervalo descrito por cada clase. Así se observa que el 64,3% de los productos Fe-EDDHA analizados tienen una concentración de Fe quelado entre 2 y 3%, mientras que en los Fe-EDDHMA esta proporción es del 50%. Sin embargo en los productos más ricos, entre el 3 y 4% de Fe quelado, sólo el 23,8% de los productos Fe-EDDHA están en esta clase frente al 37,5% de los Fe-EDDHMA. Se observa, por tanto, que, en general, los productos Fe-EDDHMA son más ricos en Fe quelado que los Fe-EDDHA. 

La falta de rigurosidad ha sido producto de la ausencia de metodología analítica. Es de esperar que las nuevas técnicas ayuden a la mejora del mercado. Por una parte, servirán a los productores como herramienta para la fabricación de nuevas formulaciones más puras. Además, los distribuidores tendrán una vía para conocer la composición de los productos que vende. Por último los agricultores tendrán la seguridad que los productos que utilizan pueden ser controlados por el Ministerio. De hecho, somos conscientes que en los últimos dos años se está realizando un gran esfuerzo para la producción de compuestos de alta calidad y de clarificación del mercado, habiéndose detectado en la campaña 2000 alguna muestra de quelatos comerciales con purezas superiores a las anteriormente mencionadas

 

Figura 8: Riqueza de los productos Fe-EDDHA

  

Figura 9: Riqueza de los productos Fe-EDDHMA

  

 

5. BIBLIOGRAFÍA

Álvarez-Fernández, A, 2000. Calidad y eficacia de quelatos férricos (FeEDDHA, FeEDDHMA, FeEDDHSA y FeEDDCHA) como fertilizantes. Tesis Doctoral. Universidad Autónoma de Madrid.
Barak, P y Chen, Y, 1987. Determination of Fe-EDDHA in soils and fertilizers by anion exchange chromatography. Soil Sci. Soc. Am. J. 51:893-896.
Boxema, R, 1979. Analysis of iron chelates in commercial iron fertilizers by gel chromatography. Pflanzenernaehr. Bodenkd. 142:824-835.
Cadahía, C, Eymar, E y Lucena JJ, 1998. Materiales fertilizantes utilizados en fertirrigación. pp:83-122. En: Fertirrigación: Cultivos Hortícolas y Ornamentales. Carlos Cadahía. Ed. Ediciones Mundiprensa. Madrid.
Deacon, M, Smyth, MR y Tuinstra, L, 1994. Chromatographic separations of metal chelates present in commercial fertilizers. II. Development of an ion-pair chromatographic separation for the simultaneous determination of the Fe(III) chelates of EDTA, DTPA, HEEDTA, EDDHA and EDDHMA and the Cu(II), Zn(II) and Mn(II) chelates of EDTA. J. Chromatogr. A., 659:349-357.
Hernández-Apaolaza, L. 1997. Determinación de quelatos férricos de uso agrícola. Aplicación al estudio de su adsorción por materiales edáficos. Tesis Doctoral. Universidad Autónoma de Madrid.
Hernández-Apaolaza, L, Barak, P y Lucena JJ, chromatographic determination of commercial Fe(III) chelates of ethylene diaminetetraacetic acid, ethylene diaminedi(o-hydroxyphenylacetic) acid and ethylene diaminedi(o-hydroxyp-methylphenylacetic) acid. J. Chromatogr. A. 789:453-460.
Hill-Cottingham, DG, 1962. The paper chromatography of some complexones and their iron chelates. J. Chromatogr 8:261-264.
Lucena, JJ, 1995 Iron fertirrigation. En: J. Abadía Ed. Iron Nutritiopn in Soils and Plants. pp153-158 Kluwer Academic Publishers. Holanda.
Lucena, JJ, Barak, P y Hérnández-Apaolaza, L. 1996. Isocratic ion-pair high-permormance liquid chromatographic method for the determination of various iron(III) chelates. J. Chromatogr. A. 727:253-264.

   

  




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