Interactions matières organiques des sols et pesticides : caractérisation et conséquences agronomiques et environnementales
Résumé
The availability of a contaminant in soils is related to its presence in a mobile, liquid or gaseous, phase and determines its impact on living organisms, its biodegradation and its dispersion to natural waters or the atmosphere. For organic contaminants such as pesticides, soil organic matter (SOM) and soil microflora are the two major regulating factors of their availability and mobility in soils. The first objective is to characterize sorption phenomena, to quantify slow sorption kinetics and sorption reversibility. We have shown that heterogeneity of SOM (chemical and physical) has to be taken into account to improve our understanding of pesticide sorption processes. At the molecular level where the interactions with contaminants take place, the characterization of sorption sites remains a scientific challenge despite the important progresses in SOM characterization methods. Pesticide sorption by soils is not completely reversible and sorption irreversibility usually increases with time. Operationally, this corresponds to an increase of non extractable pesticide residues. The formation of non-extractable residues is the result of different mechanisms involving either SOM or soil microorganisms. By their action, microorganisms participate to the formation of metabolites having chemical structure and properties different from the parent compounds. Soil microorganisms transforms also SOM during the decomposition and humification processes and therefore are implicated in the modifications of SOM physical and chemical properties involved in sorption. We have demonstrated close relationships between the formation of non extractable residues and the dynamics of OM humification in different cropping or land-use situations. The knowledge on the bio-physico-chemical processes regulating the concentrations of available pesticide have been then used in the description of pesticide transport processes in soil. Soil is a heterogenous and structured media. The spatial arrangement of soil constituents creates a complex porous space with a geometry organized at different scales from nm to cm. This geometry impacts directly water and solutes movements in soils. It influences also the location and accessibility of sorption reactives sites, as well as the distribution of microorganisms and their activity. For these reasons, we have focused our work on the coupling of sorption, degradation and transport processes in structured so called non disturbed soils, combining both experimental and modelling approaches. Taking into account soil structure lead us to study the spatial variability of sorption and degradation processes in soils. At centimetric to metric scales, we have shown that lateral and/or vertical heterogeneity can be caused by different agricultural practices in relation with factors controlling the activity soil microorganisms and/or the contaminant concentration. In addition to the spatial variability, we have to consider also the temporal variability related to pedoclimatic conditions and soil management. In the future, we will further validate relationships between the evolution of SOM and its reactivity in organic contaminant sorption in order to contribute to a modelling approach able to couple SOM dynamics and the time evolution of pesticide available concentrations. Such model will be used to predict or simulate the impacts of different organic matter management practices on pesticide mobility and fate. We also continue the integration of sorption and degradation studies in the description of pesticide transfer in soil at different scales and with the aim of accounting for the different soil heterogeneities. Our project also presents some possible contributions to researchs aiming to evaluate the impact of pesticides on non targetorganisms such as soil macrofauna or soil microflora.
La disponibilité d’un contaminant est reliée à sa présence potentielle dans une phase mobile, liquide ou gazeuse, du sol et détermine son impact sur les organismes vivants (effets biologiques), sa biodégradation, et sa dispersion vers les eaux ou l’atmosphère. Dans le cas de contaminants organiques comme les pesticides, la matière organique et la microflore des sols sont identifiées comme les deux principaux facteurs de régulation de leur disponibilité et de leur mobilité dans les sols. Le premier objectif est de caractériser les phénomènes de rétention, de quantifier les cinétiques lentes tout comme le caractère irréversible de cette rétention. Nous avons montré que la prise en compte de l’hétérogénéité des MOS (composition chimique, taille, propriétés de surface) permet une amélioration dans la compréhension des processus de sorption. A l’échelle moléculaire où se déroulent les interactions avec les contaminants, la caractérisation des sites de rétention effectifs reste un challenge malgré les progrès des méthodes utilisées pour caractériser la structure moléculaire des MOS. La rétention des pesticides dans le sol n’est pas totalement réversible et son caractère irréversible augmente dans le temps. Ceci se traduit de façon opérationnelle par une augmentation de la fraction de résidus non-extractibles. La formation de ces résidus nonextractibles est la conséquence de différents mécanismes qui impliquent la matière organique et la microflore du sol. Par leur action, les microorganismes participent à la formation de métabolites dont la structure et les propriétés chimiques diffèrent des molécules parents. Le caractère dynamique des interactions entre pesticides et MOS est également dû à l'action de la microflore sur la décomposition des MOS. Nous avons ainsi montré l’existence de liens étroits entre la formation de résidus non-extactibles et la dynamique d'humification et de transformation des matières organiques dans différents contextes de pratiques agricoles ou d’occupations du sol. Les connaissances acquises sur les processus bio-physico-chimiques régulant les concentrations de pesticides disponibles ont ensuite servi à décrire leur couplage avec les processus de transport. Le sol est un milieu hétérogène et structuré. L’organisation spatiale des constituants ménage un espace poral complexe dont la géométrie recouvre différentes échelles, du nm au cm. Cette géométrie intervient directement dans les mécanismes de transport d’eau et de solutés. Elle intervient aussi dans la localisation et l’accessibilité des sites réactifs ; elle intervient enfin dans la localisation des microorganismes et la régulation de leur activité. C’est pourquoi, nous avons abordé le couplage entre transport et rétention et dégradation dans des sols structurés en combinant approches expérimentales et approches de modélisation. En lien étroit avec la prise en considération de la structure du sol, nous avons abordé la variabilité spatiale des processus de rétention et de dégradation des pesticides dans les sols cultivés. A des échelles centrées autour du cm, nous avons montré comment l’hétérogénéité latérale et/ou verticale peut être créée par différentes pratiques culturales en lien avec des facteurs contrôlant l’activité des microorganismes et/ou la présence à un instant donné du contaminant. En raison de la nature des déterminants pédoclimatiques et anthropiques, s’ajoute à la variabilité spatiale un terme de variabilité temporelle qu’il est tout aussi important de caractériser et de quantifier. Les recherches futures viseront à valider les relations entre évolution des MOS et réactivité vis-à-vis des contaminants organiques afin de contribuer à une modélisation couplée des dynamiques des MOS et d’évolution de la disponibilité des pesticides qui servira in fine à prévoir l’impact de différentes pratiques de gestion des matières organiques (produits résiduaires, résidus de récolte, introduction de prairies temporaires) sur la disponibilité et la mobilité des contaminants. Elles poursuivront également l’intégration des processus de rétention et de dégradation dans la description des processus de transfert à différentes échelles spatiales et la nécessaire prise en compte des différentes hétérogénéités. Le projet présente également une contribution de travaux portant sur l’analyse du déterminisme de la disponibilité des pesticides à des recherches portant sur les impacts écotoxicologiques sur la microflore et la faune du sol.