Optimiser le potentiel épurateur et protecteur du sol. Fabrice MARTIN (INRA - UMR Agroécologie, Dijon).

1. Sûreté alimentaire
Quelles innovations pour
la maîtrise des contaminants
et l'authentification des produits
agricoles et alimentaires ?
> 13 & 14 novembre 2013
> Montpellier SupAgro INRA
www.rencontres-qualimediterranee.fr

2. La dégradation des
xénobiotiques (pesticides,
antibiotiques) dans le sol :
point sur les mécanismes
d’adaptation des
microorganismes à la
dégradation des pesticides
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon

3. Fonctions écosystémiques des sols agricoles
Effet sur la
qualité de l’air
Intrants chimiques
et organiques
N22O
N (GES)
O
Effet sur la
qualité du
sol
Effet sur la
qualité de
l’eau
(nitrate, MO,
pesticide)
Effet sur le
fonctionnement
des cycles
C/N
Cycle de l’N
Cycle du C
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon

4. Processus impliqués dans la dispersion des intrants: fonction filtre des sols agricoles
VOLATILISATION
ABSORPTION
RUISSELLEMENT
LESSIVAGE
Adsorption
Phase solide
Phase liquide
Eau de
surface
(RÉTENTION)
Désorption
DÉGRADATIONS
minéralisation
Eaux souterraines
4
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5. La biodégradation des pesticides
Rappels…
 dans les sols, la dégradation des pesticides est majoritairement
contrôlée par des microorganismes,
 deux voies principales sont décrites : (a) le co-métabolisme
(biotransformation, «dégradation gratuite») et (b) le métabolisme
(biodégradation)
Des cinétiques différentes:
100
co-metabolisme
metabolisme
% dégradation du pesticide
90
Métabolisme: cinétique du 1èr ordre,
pesticide est une source de nutriments,
minéralisation complète (pesticide →
C02+NH4).
80
70
60
50
40
Co-métabolisme: cinétique d’ordre 0,
pesticide ni source de C ni source
d’énergie, accumulation de métabolites.
30
20
10
0
0
10
20
30
Temps (jours)
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6. Biodégradation accélérée des pesticides: avantage/inconvénient
no application
90
1 application
80
repeated applications
L’application répétée de pesticides
peut conduire à la biodégradation
accélérée des pesticides résultant de
phénomènes
d’adaptation
microbienne.
3
2
70
60
50
40
30
1
20
10
0
0
Herbicide
% mineralisation du pesticide
100
10
Time (days)
20
30
Alopecurus myosuroides
Avantage : diminue la
persistance dans le sol.
Temps
Inconvénient : diminue l’efficacité des
pesticides et/ou favorise l’apparition
d’adventices résistantes
Ex: développement de vulpin dans des champs
dans des sols adaptés à la biodégradation
accélérée de l’isoproturon.
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7. Adaptation à la biodégradation accélérée des pesticides: cas de
l’atrazine
Pendant environ 40 ans (Brevet USA, 1959) la
dégradation de l’atrazine était connue pour
être co-métabolique (Cytochrome P450 )
La minéralisation de l’atrazine a été
rapportée il y a 20 ans.
Atrazine
atrazine
Deisopropylatrazine (DIA)
Deethylatrazine
(DEA)
CO2 + NH4
Minéralisation
complète de l’atrazine
Topp et al. 2005 In "Pesticide,
Decontamination and
Detoxification
Deisopropyldeethylatrazine (DIEA)
DEA et DIA sont des métabolites qui
contaminent les ressources en eaux.
Mandelbaum et al.1995 Appl Environ
Microbiol 61: 1451–1457.
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8. Voie de minéralisation de l’atrazine: gènes atz et trz
atzA
trzN
Atrazine
chlorohydrolase
atzB
Hydroxyatrazine
ethylaminohydrolase
Nocardioides sp. C190
Top et al 2000, Appl Env Microbiol
N-isopropylammelide
isopropylaminohydrolase
atzC
O
atzF
Allophanate
hydrolase
atzE
allophanate
Biuret
amidohydrolase
atzD
trzD
Cyanuric acid
amidohydrolase
Pseudomonas sp. Strain NRRLB-12227
Karns 1999, Appl. Env. Microbiol
2003 première description d’une voie catabolique mixte trzN, atzB&C chez
Nocardioides sp. 12 (Piutti et al. 2003, FEMS Microbiol Lett). Découverte confirmée en
2004 par Sajjaphan et al. (Arthrobacter aurescens TC1), 2007 Devers et al. FEMS
Microbiol. Lett. et 2008 Udikovic-Kolic J. Appl. Microbiol.
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9. Expansion pandémique de populations bactériennes dégradant l’atrazine
Pour revue Udikovic-Kolic et al. 2012 J. Appl. Microbiol. 96: 1175-1189
Des bactéries minéralisant l’atrazine ont été isolées de sol Nord-Américains, Européens,
Asiatiques, Australiens, Sud-Américains et plus récemment d’Afrique du Nord:
les gènes atz sont très conservés (de 97 à 100% similarité), portés par des plasmides,
et trouvés dans des bactéries appartenant à des genres différents.
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10. Variabilité spatiale de la minéralisation des pesticides
3
6
3
1
2
6
2
1
1
6
1
1
6
10 m
50
90 m
10 m
40
m
10 m
1
50°13'2
1'' N
02°21'2
8''E
0,4
0,6
60
0,8
1,0
1,2
40
20
Width (m)
4
1
2
4
6
K second traitement
80
14CO
3‐(4‐isopropylphenyl)‐1,1‐dimethylurea
(% initial radioactivity)
k, vitesse de minéralisation
0
0
20
40
60
80
100
5
Length
Time (days) (m)
Le Souich (France)
Variabilité spatiale de la minéralisation de
l’IPU (k) similaire à celle du pH,
Mettant en évidence l’influence de
paramètres
physicochimiques
sur
l’expression du potentiel d’attenuation d’un
sol
pH du sol
variations spatiales du pH
6,6
6,8
7,0
7,2
7,4
7,6
50
40
30
20
10
0
80
70
60
50
40
30
20
10
0
El Sebai et al. 2004 FEMS Microbiol. Lett. 239:103-110; El Sebai et al. 2005 Agr Sust Dev 25:271-277
El Sebai et al. Env. Poll. 2007 145:680-690
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11. Modélisation de la variabilité spatiale de la minéralisation de
l’isoproturon
Hussain et al. 2013 Chemosphere 90 : 2499-2511
un modèle simple permet de prédire la vitessse de minéralisation (µm) de
l’isoproturon en fonction de l’humidité équivalente et du pH du sol représentant
jusqu’à 85% de la variabilité observée.
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12. Fonction ecosystémique ‘filtre’ des sols arables: atténuation
naturelle
Application d’intrants
-Effet ecotoxicologique
-Effet adaptatif
-Adaptation à la biodégradation accélérée des intrants
 Atténuation naturelle de la contamination des
ressources naturelles par des composés
xénobiotiques
Ingénierie écologique  amélioration fonction filtre
-Traitement des effluents phytosanitaires (dispositif réglementaire ‘Biobed’)
-Traitement de pollution ponctuelle : bioremédiation (biostimulation, bioaugmentation)
-Aménagement du paysage: zone tampon favorisant l’atténuation naturelle
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13. Merci pour votre attention
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon

14. w w w . r e n c o n t r e s ‐ q u a l i m e d i t e r r a n e e . f r