L'objectif principal est de progresser dans la compréhension et la modélisation des processus biophysiques et de leur couplage impliqués dans le devenir, la biodisponibilité et le transport des contaminants organiques dans le sol. Dans notre projet précédent, l'un des défis consistait à mieux prendre en compte le statut hydrique du sol dans la modélisation du devenir des pesticides et des contaminants organiques. Nous avions en particulier identifié plusieurs boucles de rétroaction entre la dynamique de l’eau et la décomposition de la matière organique fraîche, la production de carbone organique dissous, la dégradation microbienne et la transformation des contaminants et leur transport par diffusion et convection dans le sol. Au cours des 5 dernières années :
- nous avons développé un nouveau modèle - Pastis_Mulch - capable de simuler les pertes d'herbicides par lavage et lessivage dans l'agriculture de conservation (voir Fait marquant 3: S. Aslam PhD, 2014). Le modèle offre la possibilité de décrire l'effet de la teneur en eau de l'interface paillis-sol et de l'ensemble du sol sur la décomposition du paillis et le comportement des pesticides. Travailler avec différentes espèces de plantes de couverture a également montré que la décomposition du paillis avait un impact important sur la persistance des pesticides à la surface du sol (Cassigneul et al., 2015; 2016; 2018). Une telle persistance est essentielle pour la poursuite des émissions dans l'atmosphère, comme cela a été démontré pour un composé tel que le S-métallochlore (collaboration avec C. Bedos - Équipe Eco & Phy - Bedos et al., 2017);
- nous avons développé un nouveau modèle - Pol-DOC - prenant en compte les interactions complexes entre la matière organique dissoute et le transport réactif d'un contaminant organique (Chabauty, PhD, 2015). Ce modèle a été testé sur un ensemble de données expérimentales obtenues lors d'expériences de déplacement de pesticides et de produits pharmaceutiques dans des colonnes de sol non perturbées. Les résultats montrent que le DOM se comporte comme un soluté hautement réactif, généré en permanence dans les colonnes de sol pendant le flux et augmenté après une interruption du flux. Les DOM augmentaient significativement la mobilité de tous les composés, mais les effets différaient selon le caractère hydrophobe et ionique des molécules (Chabauty et al., 2016).
Un autre défi consistait à mieux évaluer la biodisponibilité des contaminants organiques dans le sol, en particulier ceux qui pénètrent dans le sol par le biais de l'épandage de déchets organiques (voir le sujet précédent). Au moment du lancement d’ECOSYS, il était stratégique de contribuer à l’ambition en matière d’écotoxicologie des sols par le biais de collaborations avec l’équipe Ecotox. Concernant cet objectif :
- nous avons développé des méthodes analytiques pour déterminer la disponibilité d'antibiotiques potentiellement présents dans les boues et le fumier (voir Highlight 4: Goulas PhD, 2016). En collaboration avec l'équipe O. Crouzet- Ecotox - ces méthodes ont été testées pour expliquer l'effet observé de tels antibiotiques sur la transformation microbienne de l'azote
- nous avons étudié le devenir de cocktails de contaminants (antibiotiques et oligo-éléments) et leurs impacts sur les microorganismes du sol (PhD A. Andriamalala; projet CEMABS)
- nous avons développé un nouveau modèle capable de simuler l'effet à long terme de l'application de compost de déchets organiques sur le devenir des HAP dans les sols cultivés (modèle HAP V-Soil - Brimo et al., 2018). Ce modèle peut simuler l'exposition de plusieurs contaminants dans le contexte de l'épandage de déchets organiques (HAP mais également contaminant émergent - Geng et al., 2015; 2016).
Outre les objectifs cognitifs, un autre objectif concernait l'utilisation de différentes approches de modélisation à l'échelle de la parcelle - partiellement dérivées des modèles basés sur les processus brièvement décrits ci-dessus - afin d'évaluer les performances de différents systèmes de culture en terme de réduction de la dispersion de pesticides. Un effort particulier au cours de la dernière période a concerné l’évaluation des impacts de systèmes innovants conçus pour réduire l’utilisation de pesticides (plan Ecophyto) :
- nous avons comparé les performances de plusieurs modèles de devenir de pesticides MACRO-PEARL-PRZM pour simuler les flux verticaux de S-métolachlore et de mésotrione dans différents systèmes de culture de maïs irrigué (Marin-Benito et al., 2014; 2018);
- nous avons développé de nouvelles approches de modélisation pour évaluer et comparer les impacts de systèmes de culture nouvellement conçus (Lammoglia et al., 2017a; Lammoglia et al., 2017b). Une conclusion principale était que les systèmes de travail du sol de conservation entraîneraient des impacts accrus (en raison de l'augmentation des applications d'herbicides et de la vulnérabilité au flux de macropores), tandis que des systèmes tels que les systèmes à faibles intrants ou l'absence d'herbicides réduiraient les impacts sur l'environnement et la santé humaine (Mamy et al. , 2017);
- Nous avons utilisé Hydrus-2D pour simuler correctement, sur une période de 6 ans, la dynamique de l'eau et de l'isoproturon dans un profil de sol hétérogène sous différentes applications de compost de déchets urbains (Filipovic et al., 2014; 2016). Les résultats de la modélisation ont montré que les variations spatiales et temporelles du taux de dégradation des pesticides dues au labour et à l’application de compost jouent un rôle majeur dans la dynamique de la lixiviation à l’isoproturon. On a constaté que les deux types de compost réduisaient le lessivage par isoproturon.
Toutes les activités précédentes ont également bénéficié d’une réflexion continue basée sur la possibilité d’extrapoler les connaissances acquises sur certains contaminants organiques utilisés comme composés modèles pour d’autres contaminants et de trouver un moyen de surmonter la difficulté que seulement une petite proportion de produits chimiques peut être étudiée dans le cadre d’essais de laboratoire ou d’études de surveillance par manque de temps et / ou de budget. Récemment, nous avons mis au point TyPol pour classer les composés organiques et leurs produits de dégradation en fonction de leur comportement dans l'environnement et de leurs propriétés moléculaires. La stratégie repose sur une analyse des moindres carrés partiels et une classification hiérarchique (Servien et al., 2014). Cet outil a été testé et amélioré progressivement :
- nous l'avons utilisé en complément d'une approche de dépistage suspect pour évaluer le risque posé par les produits de transformation potentiels du tébuconazole (Storck et al., 2016) et de la chlordécone (Benoit et al., 2017)
- nous avons mis en œuvre de nouveaux paramètres liés aux effets écotoxicologiques des pesticides (Traoré et al., 2018) et commencé à étendre la base de données aux contaminants émergents
Stratégie scientifique et projet
Nos principales questions de recherche concernent toujours la compréhension et la modélisation des processus et de leur couplage impliqués dans le devenir, la biodisponibilité et le transport des contaminants organiques dans le sol. Nous poursuivrons nos efforts pour mieux considérer le statut hydrique en relation avec les propriétés intrinsèques du sol (texture, composition) mais également avec des facteurs tels que la succession et les associations de cultures, les cultures associées, l’agroforesterie qui ont une grande influence sur la structure du sol, la matière organique (qualité, distribution) et l’activité biologique. Le développement récent de modèles tels que PASTIS-Mulch (Aslam et al., 2018) ou Pol-DOC (Chabauty, PhD, 2015) pourrait être testé dans différentes situations sur le terrain et bénéficier de leur mise en œuvre sur des plateformes telles que V-Soil (WP de BAGAGE Projet DIGESTATE). La prise en compte explicite de l'organisation spatiale à l'échelle des pores dans des modèles décrivant à la fois les processus physiques et biologiques a été identifiée comme un levier permettant de comprendre les rétroactions entre la dynamique de l'eau et la biodégradation et le transport des contaminants organiques. Cela sera initié dans le cadre de nouveaux projets concernant des produits pharmaceutiques potentiellement présents dans les eaux réutilisées (projets SIMUPORE et projets connexes).
Les travaux récents sur la biodisponibilité des contaminants émergents dans les déchets organiques seront détaillés en considérant à la fois le traitement et l'application. Leur évolution et leur distribution au sein des fractions organiques seront évaluées au cours de chaînes de traitement représentatives, notamment la digestion anaérobie et le compostage des déchets urbains et agricoles. En outre, les interactions avec les phases minérale et organique au cours des traitements seront prises en compte (thèse de N. Sertillanges, collaboration au projet DIGESTATE avec le CIRAD Recyclage et Risque, LBE et EMMAH, CEREGE). Nous prévoyons également, en collaboration avec le CIRAD (UR 78 Recyclage et Risques) et la start-up MetRHIZLab, de lancer de nouvelles activités sur l'absorption par les plantes de molécules organiques par les cultures tempérées et tropicales. Nous allons adapter le bio-essai RHIZOtest (Bravin et al., 2010) aux contaminants organiques et utiliser les données de terrain obtenues lors des expériences sur le terrain de SOERE-PRO pour valider les résultats du bio-essai. Dans la continuité des projets récents au niveau du paysage, nous souhaitons poursuivre la collaboration avec les biologistes des sols (équipe Ecotox) afin de progresser dans l’exposition des organismes du sol (vers de terre, carabides) aux pesticides. Par exemple, les données récentes sur la bioaccumulation obtenues dans différents paysages agricoles seront analysées à l'aide de la méthode de classification TyPol afin d'analyser a posteriori les liens entre la dispersion atmosphérique latérale, la persistance du sol et la bioaccumulation. Ceci apportera quelques réponses au programme «phytopharmacovigilance» de l’Anses. En ce qui concerne les pesticides et autres contaminants, la question des mélanges de contaminants dans les sols sera ciblée afin de faire progresser l'évaluation multi-expositions. Plusieurs projets utiliseront l'approche TyPol avec les objectifs suivants: (i) améliorer l'outil d'analyse de la biodégradation des produits pharmaceutiques (thèse 2018-2021 avec INRAE LBE), (ii) explorer le devenir dans l'environnement et les effets écotoxicologiques des médicaments antitumoraux analogues ( Thèse 2018-2021, projet EDIFIS), (iii) aider à choisir des modèles de traceurs pour mener des expériences sur des sols volcaniques dans le contexte des Antilles (projet PHYLODISPO 2017-2020 en collaboration avec INRAE ASTRO), (iv) soutenir les approches de dépistage suspect recherchant des pesticides et des produits de transformation pharmaceutiques dans les écosystèmes aquatiques (JPI INSPECT 2019-2021).
Concernant l'évaluation des performances des systèmes de culture dans la réduction de la dispersion des pesticides, la progression dans les modèles mécanistes et l'introduction de nouveaux modules (par exemple, PASTIS-Mulch, POLDOC, équilibres de sorption à l'interface solide-gaz) sur des plateformes telles que V-Soil et OpenFluid (Collab. Avec INRAE LISAH, EMMAH) restent la meilleure option pour combler les lacunes que nous avons récemment mises en évidence sur les modèles de devenir des pesticides. Cela contribuera à simuler les effets des successions de cultures pluriannuelles, des cultures associées, de l’agroforesterie, des cultures sans labour et paillage. Dans la suite du projet MIPP, cela permettra de prendre en compte la diversité des systèmes de culture à l'échelle du paysage. L'effet du changement climatique sur les flux de pesticides, en tenant compte de l'évolution de la conception des systèmes de culture et de l'utilisation des pesticides, sera également étudié.
