Desarrollo y aplicación de nuevas metodologías analíticas al estudio de fertilizantes férricos

Resumen

Los fertilizantes a base de quelatos férricos sintéticos son xenobióticos de elevado precio comúnmente utilizados para corregir o prevenir uno de los desórdenes nutricionales más habituales de las plantas, la deficiencia de Fe. De todos los quelatos férricos sintéticos que se comercializan en el mercado, aquellos basados en el quelato Fe(III)-o,oEDDHA son los más utilizados, sobre todo en cultivos de alto valor añadido crecidos sobre suelos calizos como los de Aragón. El uso de quelatos sintéticos con fines agrícolas o industriales está siendo cuestionado en la actualidad, ya que son difícilmente degradables, muy persistentes en el medio ambiente y pueden alterar el equilibrio natural de los metales (nutrientes o tóxicos) en el suelo. Los estudios sobre el efecto de los quelatos férricos sintéticos en el medio ambiente y su mecanismo de acción son aún escasos, debido a la falta de metodologías analíticas capaces de determinar concentraciones muy bajas de estos compuestos en matrices tan complejas como el sistema suelo-planta. Los equipos de espectrometría de masas ofrecen alta sensibilidad, selectividad y versatilidad en el análisis de compuestos químicos tanto a nivel atómico como molecular. Por este motivo, en esta Tesis Doctoral hemos apostado por esta técnica para desarrollar y validar un método analítico que permita determinar de manera directa y simultánea los principales quelatos férricos sintéticos usados como fertilizantes. Este método además permite cuantificar los quelatos en fertilizantes comerciales y matrices agrícolas líquidas como la solución del suelo, solución nutritiva, agua de riego y savia de xilema. Igualmente, se ha desarrollado otro método analítico de espectrometría de masas para determinar dos agentes quelantes de Fe(III), racémico y meso o,oEDDHA, en distintos tejidos (raíces, hojas, savia de xilema y fruto) y especies vegetales (tomate, remolacha y melocotonero) con muy alta selectividad y sensibilidad. La elección del estándar interno ha sido un factor crítico en el desarrollo de este método. Los quelatos marcados con isótopos estables de Fe no han resultado ser adecuados como estándares internos para esta aplicación, sin embargo, un análogo estructural, el compuesto metilado del o,oEDDHA, ha resultado satisfactorio. Los patrones de fragmentación de la mayoría de los quelatos férricos sintéticos utilizados como fertilizantes han sido descritos en esta Tesis Doctoral utilizando la técnica de espectrometría de masas en tándem. En general, los iones producto más intensos correspondieron a descarboxilaciones, a excepción de los quelatos Fe(III)-CDTA, Fe(III)-o,pEDDHA, Fe(III)-EDDCHA y Fe(III)-EDDHSA, en los que correspondieron a pérdidas en el anillo. Cuando los espectros se obtuvieron con un analizador de masas QTOF, se consiguió diferenciar entre isómeros posicionales como el Fe(III)-o,oEDDHA y el Fe(III)-o,pEDDHA. La espectrometría de masas en tándem ha sido utilizada también para proponer las identidades de dos compuestos de Fe desconocidos presentes en un fertilizante comercial a base del quelato férrico Fe(III)-EDDHA. Estos compuestos han resultado ser también quelatos férricos con una estructura similar a la del Fe(III)-EDDHA, derivados, probablemente, de impurezas de los reactivos de partida en la síntesis del agente quelante. Por último el marcaje diferencial con dos isótopos estables de Fe (54Fe y 57Fe) de los dos fertilizantes, racémico y meso Fe(III)-o,oEDDHA, ha resultado ser una herramienta de gran utilidad para estudios de nutrición de hierro en plantas, incluyendo absorción, transporte y distribución del Fe aportado. Los resultados de este trabajo muestran que el fertilizante meso Fe(III)-o,oEDDHA es dos veces más eficiente suministrando Fe que el racémico Fe(III)-o,oEDDHA en plantas de remolacha deficientes en Fe crecidas en hidroponía. Este hecho puede ser explicado por la mayor eficiencia de la enzima quelato reductasa en la reducción del meso Fe(III)-o,oEDDHA, que fue dos veces superior a la mostrada con el racémico Fe(III)-o,oEDDHA. Los agentes quelantes racémico y meso o,oEDDHA son rápidamente absorbidos por las plantas de remolacha deficientes en Fe, encontrándose cantidades significativas en todos los tejidos después de sólo 3 horas de tratamiento. Además, ambos agentes quelantes son absorbidos y distribuidos en una relación 1:1 en plantas de remolacha deficientes en Fe, siendo la cantidad de los mismos un orden de magnitud menor que la de Fe en todos los tejidos analizados. Este hecho indica que, aunque la mayoría del Fe se absorbe a través de un mecanismo que implica la disociación del quelato férrico, una pequeña parte puede ser tomado mediante mecanismos que no incluyen disociación.