Cadmium in cacao: mitigerende strategiën om Cd opname te beperken.

Een nieuwe regelgeving ging in 2019 van kracht in de Europese Unie (EU) die de hoeveelheid cadmium (Cd) in chocolade en afgeleide producten inperkt, met als doel de gezondheid van de consument te beschermen. Cadmium concentraties in cacaobonen zijn aanzienlijk hoger in cacao uit Latijns-Amerika dan in cacao die elders wordt geteeld, aangezien de jonge bodems in de Andes vermoedelijk van nature meer rijk zijn aan Cd. Ongeveer 25% van de Ecuadoraanse cacao wordt aan Europa verkocht. Deze regelgeving kan bijgevolg negatieve gevolgen hebben voor de Ecuadoraanse exportindustrie van cacao, die meer dan 800 miljoen dollar per jaar waard is. Min of meer 70% van de cacao productie in Ecuador is in handen van kleinschalige boeren met een laag inkomen en vooral zij worden mogelijks getroffen door de nieuwe regulering. Het doel van dit doctoraatsonderzoek was om de omvang van Cd in Ecuadoraanse cacao te kwantificeren, daarnaast om bodem- of landbouwkundige factoren die van invloed zijn op de Cd-opname in cacao te identificeren en aansluitend een strategie te vinden om de Cd-concentratie in cacaobonen tijdens de oogst te verminderen.

In een eerste fase werd een landelijk onderzoek uitgevoerd. In totaal werden 560 gepaarde stalen (bodem, bladeren en bonen) verzameld bij 159 cacaobedrijven, verspreid over de cacao producerende gebieden van Ecuador. Bodem- en plantweefsel werden geanalyseerd, en via vragenlijsten werd informatie verzameld over de landbouwmethoden. Een drempelwaarde voor de concentratie van Cd in bonen van 0,6 mg Cd kg-1 werd vastgelegd, die correspondeert aan de EU-grenswaarde in cacaoproducten. De drempelwaarde werd in 45% van de stalen overschreden, en de gemiddelde Cd-concentratie in bonen uit Ecuador bedroeg 0,90 mg Cd kg-1. Uit multiple regressieanalyses bleek dat Cd in bonen toenam naarmate de totale Cd-concentratie in de bodem toenam en de pH en het gehalte aan organische stof in de bodem afnamen, waarbij de laatste twee factoren de biologische beschikbaarheid van Cd in de bodem beïnvloeden. Dit opperde dat wijziging van deze bodemparameters de Cd-opname in cacao zou kunnen verminderen. Een toename van leeftijd van boomgaard van 4-40 jaar was gerelateerd met een daling van de Cd-concentratie in bonen met een factor 1,4. Daarentegen, werd de boon Cd-concentratie niet systematisch beïnvloed door het genotype (CCN-51 vs. Nacional), of door te snoeien of te bemesten. Door middel van Kriging-interpolatie werd de eerste kaart van Cd in cacaobonen uit Ecuador geconstrueerd. Hierop zijn "hotspots" te zien waar de gemiddelde Cd-concentratie in cacaobonen de drempelwaarde overschrijdt; deze gebieden corresponderen met gebieden waar bodems natuurlijk verrijkt zijn in Cd, op enkele zeldzame vervuilde bodems na.   Cadmium-concentraties zijn zeer variabel, zélfs tussen bomen binnen éénzelfde veld. In een tweede onafhankelijke database met 640 gegeorefereerde gegevens van de Ecuadoraanse regering stemden de hotspots en de gebieden waar de Cd-concentratie van cacao onder de grenswaarde ligt, grotendeels overeen. Dit bevestigt dat kaarten robuuste indicatoren zijn voor de regionale gemiddelde Cd-concentraties in bonen.

In een tweede fase werd nagegaan hoe het aanbrengen van kalk aan de oppervlakte van de bodem de Cd-opname door cacaoplanten beïnvloedt. Als traditionele bodemverbeteraar, verhoogt kalk de pH-waarde van de bodem en verlaagt de biologische beschikbaarheid van Cd in de bodem. Kalk kan echter niet in de bodem van cacaoboomgaarden worden geploegd. De aan de oppervlakte aangebrachte kalk dringt niet in de bodem door en er is dus een nood om het totaalplaatje van het bekalkingsproces te begrijpen. Er werd een pot experiment uitgevoerd waarbij de potten werden gevuld met combinaties van twee verschillende bodemhorizonten, namelijk een oppervlakte bodem en een onderliggende bodem (B). Daarnaast werden potten volledig bekalkt of gedeeltelijk bekalkt (alleen toplaag). Tenslotte werd de grond in verschillende combinaties met 108Cd verrijkt om de herkomst van Cd te achterhalen. Ongeveer 70% van de biomassa van de wortels bevond zich in de toplaag en dit veranderde niet doorheen de verschillende behandelingen. Een volledige bekalking van de bodem verminderde de Cd-concentraties met een factor 1,7, wat bevestigt dat kalk de opname van Cd met succes kan verminderen. Daarentegen verminderde het bekalken van enkel de toplaag het blad-Cd slechts met een factor 1,2, een gering effect dat kan wijzen op een uiteindelijke minieme werking van kalk in het veld. De data van de 108Cd-merker toonden aan dat het bekalken van de toplaag de Cd-opname uit de onderste laag alleen maar verhoogde vergeleken met de onbekalkte controle. Bekalking vermindert niet alleen de beschikbaarheid van Cd, maar ook die van de voedingsstofanalogen Zn en Mn. De lagere beschikbaarheid van de analogen kan bijgevolg compenserende effecten veroorzaken. Dit suggereert dat het toedienen van kalk in combinatie met het toevoegen van micronutriënten mogelijks een geschiktere strategie is.

Een derde fase van dit werk was gericht op het effect van de toepassing van gips (CaSO4) op de Cd-opname in de bodem. Gips wordt vaak gebruikt in zure bodems voor ondergrondse bekalking; het is oplosbaar en dringt in de bodem door. Het is echter geen kalkproduct, maar een product dat de Ca2+-concentraties in de ondergrond verhoogt, wat de effecten van toxisch Al3+ op de bodem en, mogelijk, op de Cd2+-opname kan tegengaan. Eerst werd een pot experiment uitgevoerd met zes contrasterende Ecuadoraanse bodems met verschillende Ca2+ concentraties in de bodemoplossing. De cacao-zaailingen groeiden voor 115 dagen op de bodems die al dan niet met gips werden behandeld (4 Mg ha-1). Toevoeging van gips verminderde de Cd-concentratie in de bladeren slechts in één bodem; in andere bodems was er geen of zelfs een gering vermeerderend effect. De factor waarmee de Cd-concentratie in de bladeren door gips wordt gereduceerd neemt duidelijk toe met toenemende cation exchange capacity (CEC), alsook met het oorspronkelijke Ca in de bodemoplossing. Gips is bijgevolg alleen effectief in bodems met een hoge CEC of een hoog Ca-gehalte. Analyse van de bodemoplossing suggereert dat in zandige bodems, met een lage buffercapaciteit (of lage CEC) en een laag Ca2+ in de oplossing, Cd2+ gemakkelijker wordt gemobiliseerd wanneer gips in de bodemoplossing oplost en dat bijgevolg de verhouding Cd2+/Ca2+-ionactiviteit in de bodemoplossing gelijk blijft bij toepassing van gips met geringe effecten op de Cd-opname. In bodems met een hoge CEC daarentegen is de bodem verzadigd met Ca2+ en heeft het bijgevoegd Ca2+ een kleiner effect op de mobilisatie van Cd2+, waardoor de verhouding Cd2+/Ca2+ in de bodemoplossing bij toevoeging van gips afneemt en de Cd-opname dus afneemt.

In het begin van dit werk werden veldproeven opgezet om de doeltreffendheid van bodemverbeteraars in het veld te testen. De veldproeven duurden 30 maanden en werden uitgevoerd op twee Ecuadoraanse boerderijen met contrasterende pH (zuur en pH neutraal) en organische stof. De geteste behandelingen bestonden uit kalk en gips (2 en 4 Mg ha-1 y-1) en compost (25 en 50 Mg ha-1).  Bodem-, blad- en bonenstalen werden op regelmatige basis verzameld. Tenslotte werden bodemkernen van 100 cm diep bemonsterd. Kalk verhoogt de pH van de bovengrond aanzienlijk, maar na 22 maanden was dit niet meer aantoonbaar op dieptes >20 cm. Geen van de kalk- of gipstoepassingen verminderde de Cd-concentraties van bonen of blad-Cd significant bij pH-neutrale bodem. Bij de zure bodem verminderde het blad Cd gradueel (factor 1.4) na 30 maanden. Interne Cd voorraden in de boom of wortelzone kunnen mogelijks deze trage reactie verklaren. Opmerkelijk is dat de toepassing van compost de blad-Cd-concentratie na 22 maanden met een factor 1,5 (p<0,05) verlaagde, maar dat dit effect na 30 maanden was verdwenen. Boon-Cd-concentraties werden door geen één van de behandelingen op 22 maanden (zure bodem) of 30 maanden (pH neutrale bodem) beïnvloed.. De blad-Cd-concentraties werden significant beïnvloed door het tijdstip van staalname en lagere blad-Cd-concentraties werden gevonden op het tijdstip van bloei of vruchtvulling. De effecten van bodemverbeteraars kunnen dus worden verdoezeld door het tijdstip en de gerelateerde veranderende fenologie van de plant die de interne mobilisatie van minerale elementen zoals Cd beïnvloedt. Een laboratoriumstudie wees daarnaast uit dat de combinatie van kalk met compost de kalkpenetratie in de bodem aanzienlijk verbetert in vergelijking met kalk alleen, hetgeen een gemengde behandeling bepleit als betere strategie om Cd in cacao te verminderen.

Samengevat heeft dit doctoraatsonderzoek aangetoond dat bepaalde cacao producerende gebieden in Ecuador de gekozen drempelwaarde van 0,6 mg Cd kg-1 in cacaobonen overschrijden. We bevestigden dat de belangrijkste bodemfactoren die de Cd-opname in cacao beïnvloeden, de pH en de organische koolstof in de bodem zijn.  Bodemverbeteraars kunnen, zelfs met een bescheiden reductiefactor van 1,5, een grote impact hebben voor Ecuadoraanse cacaoboeren aangezien ze minimum impact hebben op de gebruikelijke landbouwpraktijken. De toevoeging van bodemverbeteraars om de Cd-opname in het veld te verlagen, stuit echter op ernstige beperkingen. De uitdagingen zijn om de eigenschappen van de ondergrond te veranderen en zo diepere wortels te bereiken. Daarnaast speelt de grote variabiliteit tussen bomen van hetzelfde veld in biologische beschikbaarheid van Cd in de bodem, waardoor het statistisch vermogen om effecten te detecteren beperkt is, een belemmerende rol. Bij geen van de veldproeven zijn er al geschikte bodembeheertechnieken gevonden om de Cd-concentraties in bonen te verlagen, behalve voor kalk in zure bodems, waarbij een effect in blad-Cd te zien was binnen 2,5 jaar na behandeling. De talrijke aanwijzingen in het experimentele werk suggereren echter dat gepaste combinaties van kalk met compost of kalk met micronutriënten zoals Zn of Mn geschikte kandidaten kunnen zijn voor alternatieve bodembehandelingen en zodoende toekomstig onderzoek verdienen.