Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN), US Food and Drug Administration (FDA), 5001 Campus Drive, College Park, MD, 20740 S.U.A.

Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN), US Food and Drug Administration (FDA), 5001 Campus Drive, College Park, MD, 20740 S.U.A.

Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN), US Food and Drug Administration (FDA), 5001 Campus Drive, College Park, MD, 20740 S.U.A.

Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN), US Food and Drug Administration (FDA), 5001 Campus Drive, College Park, MD, 20740 S.U.A.

Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN), US Food and Drug Administration (FDA), 5001 Campus Drive, College Park, MD, 20740 S.U.A.

Center for Food Safety and Applied Nutrition (CFSAN), US Food and Drug Administration (FDA), 5001 Campus Drive, College Park, MD, 20740 S.U.A.

Abstract

Abstract

Aplicație practică

Prezența cadmiului în alimente este foarte variabilă și depinde în mare măsură de locația geografică, de biodisponibilitatea cadmiului din sol, de genetica culturilor și de practicile agronomice utilizate. Acest studiu poate ajuta FDA să stabilească unde să concentreze resursele, astfel încât cercetarea și eforturile de reglementare să aibă cel mai mare impact asupra reducerii expunerilor la cadmiu din aprovizionarea cu alimente.

1. INTRODUCERE

1.1 De ce este îngrijorător cadmiul?

Cadmiul a fost recunoscut de mult timp ca un contaminant de mediu care prezintă riscuri pentru sănătatea umană. Natura omniprezentă a cadmiului este îngrijorătoare, deoarece aproape toată lumea din populația generală este expusă la metalul greu prin aprovizionarea cu alimente și elementul se acumulează în organism pe parcursul unei vieți. În sprijinul eforturilor Grupului de lucru privind elementele toxice ale Administrației SUA pentru Alimente și Medicamente (FDA) pentru a reduce riscurile asociate cu elementele toxice din alimente, această revizuire a încercat să identifice eforturile de atenuare existente sau posibile de-a lungul lanțului alimentar pentru a determina unde poate FDA au cel mai mare impact asupra reducerii expunerilor.

1.2 Cadmiu în mediu

Cadmiul este un element rar natural, care, în formă pură, este un metal maleabil în nuanțe de albastru sau pulbere alb-cenușie care reacționează ușor cu alte substanțe (NTP, 2016). Cadmiul este, de asemenea, dispersat în mediu prin diferite procese antropice, cum ar fi mineritul, topirea, bateriile de nichel și cadmiu, placarea metalelor, pigmenții, stabilizatorii din plastic, eliminarea nămolului de canalizare și utilizarea îngrășămintelor și îngrășămintelor fosfatice (ATSDR, 2012; Clemens, Aarts, Thomine și Verbruggen, 2013; Khan, Khan, Khan și Alam, 2017; Meng și colab., 2018; Nordberg și colab., 2018; OMS, 1992). Când sunt dispersați în atmosferă, compușii de cadmiu pot fi transportați pe distanțe lungi și în cele din urmă pot cădea pe pământ. Cadmiul se mișcă ușor prin sol și este preluat în lanțul alimentar prin absorbția plantelor (în principal legume cu frunze, culturi de rădăcini, cereale și cereale [10 până la 150 µg/m 3]) (ATSDR, 1999; EFSA, 2009; Klaassen, Casarett și Doull, 2013; Smolders, 2001) și, de asemenea, se găsește ulterior în ficat și rinichi (> 50 µg/m 3) ale animalelor de la pășunat pe culturi furajere și filtratoare, cum ar fi crustacee și moluște (1 până la 2 μg/kg) care bioacumulează cadmiu din medii acvatice contaminate (ATSDR, 1999; Klaassen și colab., 2013; Nair, DeGheselle, Smeets, Kerkhove și Cuypers, 2013). Ingerarea de cadmiu prezintă o preocupare majoră, deoarece este un oligoelement neesențial care nu joacă un rol în creșterea oamenilor sau a plantelor, dar este toxic pentru oameni (Clemens și colab., 2013; EFSA, 2009; Khan și colab., 2017; Smolders, 2001).

La sfârșitul anilor 1990, studii epidemiologice ocupaționale, de cohortă, au descoperit asocieri pozitive între expunerea prin inhalare la compuși de cadmiu și un risc crescut de deces prin cancer pulmonar (NTP, 2016). Ca urmare, au fost implementate decizii politice, progrese tehnologice și îmbunătățiri ale proceselor, iar emisiile de cadmiu în atmosferă au scăzut constant (Clemens și colab., 2013). Cu toate acestea, cadmiul nu se degradează în mediu și nu este ușor de îndepărtat din sol. Prin urmare, înțelegerea și controlul contaminării cu cadmiu este imperativă pentru siguranța aprovizionării cu alimente.

1.3 Expunerea la cadmiu

Expunerea la cadmiu poate avea loc prin ingestia de alimente, apă potabilă sau sol și praf contaminate și prin inhalarea fumului de tutun sau a particulelor din aerul ambiant (ATSDR, 2012). Cea mai semnificativă sursă de expunere la cadmiu uman este fumatul de țigări, fumătorii având concentrații crescute în sânge și rinichi (ATSDR, 2012; Bernhoft, 2013; EFSA, 2009). Expunerea prin inhalare poate fi, de asemenea, semnificativă în condiții profesionale, cum ar fi sudarea și lipirea. În afară de persoanele cu niveluri ridicate de expunere la consumul de tutun sau la mediul de lucru, dieta este sursa principală (90%) de expunere la cadmiu (Clemens și colab., 2013; EFSA, 2009).

Expunerea la cadmiu în alimente poate duce la acumularea acestuia în rinichi (cea mai sensibilă țintă pentru toxicitatea cadmiului), care poate provoca disfuncții tubulare și leziuni ale rinichilor în timp (ATSDR, 2012; EFSA, 2009; OMS, 2011). Cadmiul exercită, de asemenea, efecte toxice asupra sistemului osos și demineralizarea osoasă poate avea loc prin leziuni osoase directe sau din cauza disfuncției renale (EFSA, 2009; OMS, 2011). Cercetările sugerează, de asemenea, că expunerea la cadmiu induce stresul oxidativ, ducând la inflamații și leziuni mitocondriale; cu toate acestea, mecanismul nu este pe deplin înțeles (Cannino, Ferruggia, Luparello și Rinaldi, 2009; Nair și colab., 2013).

Mai mulți factori pot influența sarcina corpului de cadmiu și eficiența absorbției la om. Absorbția cadmiului după expunerea la dietă este estimată a fi scăzută la om (3% până la 5%) (ATSDR, 2012; Clemens și colab., 2013; EFSA, 2009); cu toate acestea, unele studii sugerează că absorbția în intestine poate ajunge la 44% și sunt necesare cercetări suplimentare în special pentru copii și adulți tineri (Vesey, 2010). Înțelegerea fracției biodisponibile de cadmiu din alimente specifice și a factorilor care afectează biodisponibilitatea ar reduce incertitudinea cu privire la nivelurile de expunere asociate cu cadmiul dietetic (Chunhabundit și colab., 2011).

Cadmiul are o compoziție chimică similară cu metalele esențiale, cum ar fi fierul, zincul și calciul și poate fi preluat de celule prin „mimică ionică și moleculară” (Cannino și colab., 2009; Nair și colab., 2013; Vesey, 2010 ). Cadmiul și zincul se leagă de aceleași proteine ​​din sânge (albumina) și țesuturi (metalotioneină) și concurează pentru absorbția în celule (Brzoska și Moniuszko-Jakoniuk, 2001). După absorbție, cadmiul este distribuit pe tot corpul legat de proteinele din sânge (adică albumina) (Bernhoft, 2013; EFSA, 2009; Vacchi - Suzzi, Kruse, Harrington, Levine și Meliker, 2016). Timpul de înjumătățire în sânge (depunerea în organe) variază de la 75 la 128 de zile (Bernhoft, 2013). Aproximativ 60% din cadmiul absorbit se depune în ficat (30%) și rinichi (30%), în timp ce restul este distribuit pe tot corpul și apoi se excretă lent (0,007% până la 0,009% din sarcina corpului pe zi) prin urină și fecale (ATSDR, 2012; Bernhoft, 2013). Cadmiul este un toxic toxic acumulativ cu un timp de înjumătățire biologic lung care a fost estimat a fi de 10 până la 33 de ani la om, ceea ce duce la creșterea sarcinii corporale în timp (Clemens și colab., 2013; EFSA, 2009). Prin urmare, toxicitatea cadmiului rezultă în general din expunerea cronică.

Micronutrienții au un impact major asupra sănătății și joacă un rol important în dezvoltarea și protecția toxicității cadmiului. Conținutul scăzut de micronutrienți din alimentele consumate și procentul de cadmiu absorbit în organism pot fi mai mari atunci când fierul, zincul și calciul sunt scăzute în organism și în produsele alimentare (ATSDR, 2012; Clemens și colab., 2013, Klaassen și colab. al. al., 2013; EFSA, 2009). Zincul poate servi ca mecanism de protecție, deoarece stimulează metalotioneina care se leagă de cadmiu prevenind stresul oxidativ (Marreiro și colab., 2017) și poate preveni cadmiul să perturbe metabolismul osos prin deplasarea calciului (Brzoska și Moniuszko-Jakoniuk, 2001). Studiile de laborator pe animale (Flanagan și colab., 1978; Reeves și Chaney, 2001; Reeves și Chaney, 2002; Reeves și Chaney, 2004; Reeves, Chaney, Simmons și Cherian, 2005) sugerează că chiar și deficiențele marginale ale micronutrienților pot spori cadmiul absorbție de până la 10 ori (Reeves și Chaney, 2008). Studiile sugerează, de asemenea, că deficiențele de calciu, proteine ​​și vitamina D pot crește susceptibilitatea la efectele osoase după expunerea la cadmiu. Mai mult, cadmiul reduce fluxul de sânge și inhibă transportul de nutrienți peste placentă prin interferența cu absorbția de zinc de către microvesiculele umane placentare (Gupta, 2011). Prin urmare, starea fiziologică (vârstă și sex), dieta și starea corpului micronutrienților, condițiile de sănătate preexistente și sarcinile multiple pot avea impact asupra biodisponibilității, retenției și toxicității cadmiului în organism (ATSDR, 2012; Brzoska și Moniuszko-Jakoniuk, 2001; EFSA, 2009; Vesey, 2010). Copiii, femeile aflate la vârsta fertilă și diabeticii sunt considerați mai vulnerabili (Clemens și colab., 2013; Satarug, Garrett, Sens și Sens, 2010; Vesey, 2010).

2 CADMIUM ÎN ALIMENTAREA ALIMENTARĂ

După cum sa menționat anterior, cadmiul are potențialul de a intra în aprovizionarea cu alimente prin diferite surse (Figura 1). Cadmiul apare în mod natural în mediu și este permis și prin surse antropice. Odată emis, cadmiul este transportat prin apă, aer și sol unde poate fi preluat de plante, animale și crustacee din sol și apă. Cadmiul pătrunde, de asemenea, în sol prin practici agronomice prin utilizarea îngrășămintelor fosfatice. Utilizarea ustensilelor placate cu cadmiu și a echipamentelor galvanizate, a stabilizatorilor care conțin cadmiu în materiale plastice și a glazurilor de ceramică pe bază de cadmiu pot contribui, de asemenea, la cadmiu în alimentarea cu alimente (ATSDR, 2012). Mai mult, deși minimă, intrarea cadmiului în apa potabilă poate apărea și din cauza prezenței cadmiului în țevile galvanizate și/sau lipiturile care conțin cadmiu în armăturile de la robinete (OMS, 2011).

strategii

Expunerea dietetică și absorbția cadmiului depinde de concentrația de cadmiu a alimentelor și de cantitatea de alimente consumate. Autoritatea Europeană pentru Siguranța Alimentară (EFSA) a efectuat o analiză pe scară largă a cadmiului din produsele alimentare în 2009 și a concluzionat că „cerealele și produsele din cereale”, „legumele și produsele vegetale” și „rădăcinile și tuberculii cu amidon” au avut cea mai mare contribuție la aportul total de cadmiu în Europa (Clemens și colab., 2013). În 2011, Comitetul mixt FAO/OMS de experți în aditivi alimentari (JECFA) a analizat o gamă largă de alimente distribuite în întreaga lume din Australia, Brazilia, Canada, Chile, China, Ghana, Japonia, Singapore, Statele Unite și 19 țări europene ( trimis prin EFSA). Concentrațiile medii de cadmiu au fost mai mari, variind de la 0,1 la 4,8 mg/kg, pentru crustacee (crustacee/moluște), carne de organe (ficat și rinichi), legume, nuci și oleaginoase, condimente, cafea, ceai și cacao (OMS, 2011) . Când s-a luat în considerare consumul, cerealele și cerealele, legumele, carnea de organe și fructele de mare au contribuit cel mai mult la expunerea dietetică la cadmiu (OMS, 2011). Se știe că boabele, cum ar fi orezul, din anumite regiuni conțin niveluri mai ridicate de cadmiu (ATSDR, 2012; EFSA, 2009; OMS, 2011).

3 CADMIUM ÎN PLANTE

3.1 Factori care afectează concentrația de cadmiu a culturilor și care controlează acumularea în agricultură

3.1.1 Caracteristicile solului

Mulți factori ai solului, cum ar fi pH-ul (Chuan, Shu și Liu, 1996; Clemens și colab., 2013; Nazar și colab., 2012), disponibilitatea materiei organice (Nazar și colab., 2012), tipul de sol (McLaughlin, Parker și Clarke, 1999), potențial redox (Eh) (Chuan și colab., 1996; Nazar și colab., 2012; Roberts, 2014; Sarwar și colab., 2010; Meng și colab., 2018), temperatura solului McLaughlin și colab., 1999) și aplicarea nutrienților (azot, fosfor, potasiu și zinc) (McLaughlin și colab., 1999) afectează foarte mult solubilitatea metalelor grele și absorbția cadmiului din sol (Figura 3). Cadmiul solubil (Cd2 +) pare a fi principala formă din sol și este preluat de plante cu ușurință (Meng și colab., 2018) și se poate acumula în toate părțile lanțului alimentar (ATSDR, 1999). Solubilitatea cadmiului în sol influențează în mod direct bioactivitatea și biodisponibilitatea cadmiului și determină acumularea, toxicitatea, biomodificarea și transportul în mediu (Meng și colab., 2018).

Studiile au arătat că pH-ul este de primă importanță, deoarece solubilitățile metalelor grele sunt semnificativ mai mari atunci când în condiții acide (pH scăzut = 3,0 până la 5,0) (Chuan și colab., 1996; McLaughlin și colab., 1999; Roberts, 2014). Biodisponibilitatea este redusă atunci când nivelurile de pH ale solului sunt mai mari de 6, deoarece cadmiul tinde să se lege cu materia organică și alte minerale (Roberts, 2014). Adăugarea varului în sol crește pH-ul solului, făcând mediul solului mai puțin acid (Roberts, 2014). În plus, studii recente (Bashir și colab., 2018; Zheng și colab., 2017) sugerează că aplicarea biocharului de orez, un material organic produs din coji de orez la temperaturi ridicate, poate crește pH-ul solului, capacitatea de schimb cationic, și fertilitatea prevenind astfel absorbția de cadmiu și reducând în continuare acumularea în plante.

Condițiile Redox afectează, de asemenea, solubilitatea cadmiului în sol și în comunitățile microbiene. Modificările potențialului redox pot afecta materia organică, mineralele și reglarea microbilor rizosferei (Meng și colab., 2018; Nazar și colab., 2012). Modificarea stării redox modifică acceptorii de electroni și capacitatea de chelare cu ioni de cadmiu (Nazar și colab., 2012). Mediul ligand este critic deoarece determină rata de absorbție și biodisponibilitatea cadmiului (Clemens și colab., 2013). Cadmiul solubil poate fi redus prin microbi cu ajutor chimic sau fixat prin absorbție microbiană, afectând astfel absorbția cadmiului de către plante (Meng și colab., 2018). Metabolismul microbilor produce secreții, cum ar fi acizii organici, care pot dizolva cadmiul și alte metale grele în sol; prin urmare, adăugarea de specii microbiene în sol, cum ar fi bacteriile și ciupercile, poate ajuta la reducerea cadmiului din sol (Jin, Luan, Ning și Wang, 2018). Cadmiul se leagă, de asemenea, puternic de solurile cu materie organică mai mare (capacitate mai mare de schimb de cationi), făcând cadmiul mai puțin disponibil pentru viața plantelor (ATSDR, 1999; Roberts, 2014). În plus, rotațiile umede și uscate afectează compoziția microbilor (Meng și colab., 2018), iar concentrația de cadmiu în culturi variază în funcție de precipitații (Eriksson, Oborn, Gunilla și Arne, 1996). Reglarea solubilității și înțelegerea potențialului de reducere a solului și adăugarea de ioni concurenți (de exemplu, Zn - Fe) în sol (biofortificare) poate contribui la scăderea expunerii la cadmiu din plante (Clemens și colab., 2013; Meng și colab., 2018).

3.1.2 Genetica culturilor

3.1.3 Practici agronomice

4 DIRECȚII VIITOARE

4.1 Strategii de atenuare pentru reducerea cadmiului în aprovizionarea cu alimente

4.2 Mărfuri - coduri de practică și supraveghere specifice pentru cadmiu în culturi

Așa cum s-a prezentat anterior, prezența cadmiului în alimente este foarte variabilă și depinde în mare măsură de locația geografică, de biodisponibilitatea cadmiului din sol, de genetica culturilor și de practicile agronomice utilizate. După cum a remarcat EFSA în recomandările Comisiei din 2014, aceste variabile fac o reducere imediată a nivelurilor maxime dificil de atins (EFSA, 2014). Rezultatele acestei revizuiri a literaturii indică necesitatea unor coduri de practică specifice mărfurilor, cum ar fi dezvoltarea recentă a Codului de practică al Codex (COP) pentru prevenirea și reducerea contaminării cu cadmiu din cacao. Comitetul Codex pentru contaminanții din alimente este în curs de dezvoltare a unui COP pentru cacao și a luat în considerare stabilirea nivelurilor maxime pentru cadmiu în produsele din cacao (Abt, Fong Sam, Gray și Robin, 2018). COP va oferi îndrumări tehnice industriei producției de cacao cu privire la prevenirea și reducerea contaminării cu cadmiu din boabele de cacao din regiunile geografice din întreaga lume. Măsurile de atenuare pot include recomandări privind producția primară și procesarea post-recoltare (Programul comun FAO/OMS pentru standarde alimentare, CAC 2019).

Un pas cheie în reducerea cadmiului în dietă este reducerea sau prevenirea absorbției inițiale de către plantă. Datorită interacțiunilor complexe ale chimiei solului, geneticii plantelor și practicilor agronomice, sunt necesare cercetări suplimentare. Experimentarea și testarea pe teren sunt necesare pentru a informa modelarea riscurilor și pentru a dezvolta strategii practice de gestionare specifice fermei. Rezultatul pe termen lung îi va ajuta pe lideri în identificarea nevoilor specifice ale fermierilor, concentrarea eforturilor geografice și specifice culturilor, educarea fermierilor cu privire la modalitățile de îmbunătățire a practicilor agronomice și, în cele din urmă, reducerea cadmiului în aprovizionarea cu alimente prin măsuri preventive.

4.3 Absorbția cadmiului

Un accent emergent în literatura științifică este importanța cantității de cadmiu care poate fi absorbită în organism din anumite mărfuri. De exemplu, unele studii sugerează că fibra și filatul vegetal pot juca un rol în protecția împotriva absorbției cadmiului (Vahter, Johansson, Akesson și Rhanster, 1991); cu toate acestea, cercetările suplimentare sunt justificate pentru a spori certitudinea în estimarea expunerilor la expunerea la cadmiu din dietă. Mai mult, după cum sa menționat anterior, micronutrienții au un impact major asupra sănătății, iar consumatorii pot fi educați cu privire la importanța rolului elementelor esențiale în prevenirea riscurilor cauzate de expunerea la cadmiu.

4.4 Considerații în stabilirea limitelor

5. CONCLUZII

În cele din urmă, informațiile prezentate în această revizuire pot ajuta, de asemenea, FDA să stabilească unde să concentreze resursele, astfel încât cercetările viitoare și eforturile de evaluare a riscurilor să poată identifica eforturile de reglementare care vor avea cel mai mare impact asupra reducerii expunerii dietetice la cadmiu.

CONTRIBUȚIILE AUTORULUI

Heather Schaefer a adunat informațiile și a elaborat manuscrisul. Sherri Dennis și Suzanne Fitzpatrick au conceptualizat ideea lucrării și au oferit feedback critic și recomandări în timpul procesului de aprobare finală.

PUBLICAREA AUTORULUI

Această lucrare a fost susținută de o programare la programul de participare la cercetare de la Centrul pentru Siguranța Alimentelor și Nutriția Aplicată administrat de Oak Ridge Inst. pentru Știință și Educație printr-un acord interinstanțial între Departamentul SUA. de energie și FDA din SUA.