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Dernière mise à jour : Mai 2021

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ECOSYS Bienvenue

UMR ECOSYS - Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes

TS3. Contaminants

Exposition et effets des contaminants dans les agro-écosystèmes

Carole Bedos, aidée de Juliette Faburé et Laure Mamy

Contexte

L'évaluation de l'exposition environnementale et humaine aux différents contaminants présents dans l'environnement est essentielle pour identifier leurs déterminants et limiter leurs impacts. Les agroécosystèmes, en particulier dans le contexte périurbain, sont notre principal sujet d'étude. Ce contexte nous permet d’éliminer un gradient de conditions allant d’un environnement purement agricole à un environnement urbain. Nous caractérisons la contamination de différents milieux - sol, air, eau, plantes et organismes du sol - par une diversité de contaminants présentant un intérêt pour les agro-écosystèmes (pesticides et produits pharmaceutiques, HAP, métaux, contaminants atmosphériques -NH3, O3, COV, N, contaminants réactifs, AOS, etc.- et biotiques comme agents phytopathogènes fongiques, toxines, etc.), soit parce qu’ils sont des intrants agricoles (pesticides, engrais; contaminants liés au recyclage de la biomasse organique), soit parce qu’ils ont un impact sur la production agricole.

Nous cherchons à prendre en compte les pratiques agricoles et leur évolution, en particulier dans le cadre de la transition agro-écologique, ou de l'évolution des conditions environnementales liées au changement climatique. Cela peut nous amener à requérir nos outils pour pouvoir évaluer toutes les pratiques (présence de résidus de culture à la surface du sol, captures de cultures, hétérogénéité intra-terrain due au mélange d’espèces de culture, etc.) ou pour tester leur validité dans divers sols et conditions climatiques. D’autre part, nous cherchons, dans la mesure du possible, à développer des outils intégrant une diversité d’écosystèmes à l’échelle du paysage (par exemple, divers types de cultures, de haies / bois dans des modèles de dispersion atmosphérique) et décrivant tous les processus pertinents dans les différents compartiments.

S'agissant des effets, nous avons jusqu'à présent principalement étudié les effets de ces contaminants sur les organismes du sol (plantes, faune, micro-organismes), du sous-individu à l'échelle de la population, ainsi que sur les qualités du sol, de l'eau et de l'air et sur la santé des plantes. Ces études ont associé (i) la compréhension des processus et des mécanismes sous-jacents (transfert de contaminants entre compartiments, (bio) disponibilité, écotoxicité, optimisation de l'utilisation de la résistance génétique aux maladies des cultures arables), (ii) leur intégration (en terme d'échelle, expositions multiples, liens exposition / impact) et (iii) l'évaluation de scénarios (risques et performances environnementaux) via des approches expérimentales (de laboratoire, in situ) et de modélisation (in silico, mécanistes).

À court terme, nous souhaiterions élargir nos travaux à l’étude de l’exposition humaine aux pesticides via l’atmosphère, sujet de préoccupation majeure pour la société et les pouvoirs publics, ainsi que de la contamination des produits agricoles par des contaminants émergents (par exemple récoltés sur des sols amendés avec des biomasses organiques recyclées).

Plusieurs  lacunes dans les connaissances méthodologiques et analytiques subsistent. Des manques dans les connaissances du devenir à long terme des contaminants (formation et devenir des résidus non extractibles, évolution de la virulence des particules biotiques), les interactions avec la matière organique du sol à des échelles fines, le devenir de la (bio) transformation / (bio) produits de dégradation, prise en compte de l'hétérogénéité des sols dans les pratiques culturales dans un climat en mutation et transition pour l'agroécologie, déterminisme de la (bio) disponibilité des contaminants ou prise en compte du nombre important de contaminants potentiels et de leurs interactions potentielles effets du formulant sur le comportement de l'ingrédient actif pour les pesticides). En ce qui concerne les effets sur les organismes d'intérêt (organismes du sol, plantes), les défis concernent les conséquences du multitress, qu'elles soient d'origine climatique ou liées à la multi-exposition (mélange de polluants, voies d'exposition), les effets à long terme et leurs impacts sur les fonctions écologiques (structure du sol, recyclage des éléments nutritifs, dégradation des polluants organiques) et leurs conséquences sur les services écosystémiques (recyclage des déchets organiques, régulation du climat et des risques de glissements de terrain).

Questions scientifiques et objectifs

Dans ce contexte, les questions scientifiques générales sont les suivantes :

- Comment prévoir l'exposition spatio-temporelle environnementale, végétale et humaine aux (bio) contaminants dans un contexte multi-exposition (en termes de voies d'exposition et / ou de vecteurs) en relation avec les activités agricoles, soit parce qu'elles ont un impact sur la qualité de l'environnement ou parce qu'elles sont touchées par la contamination de l'environnement ?

- Dans quelle mesure les leviers d'action identifiés sont-ils efficaces pour limiter ces expositions et ces effets sur les écosystèmes?

Forts de l’expertise du laboratoire en matière de connaissances sur les déterminants de la dynamique des contaminants dans l’agroécosystème en lien avec les pratiques agricoles et les outils développés, nous proposons dans les années à venir de structurer nos travaux autour de deux objectifs opérationnels principaux :

1) Le premier objectif porte sur les pesticides, l'un de nos identificateurs forts. L'objectif est d'évaluer les contaminations spatio-temporelles de l'environnement (résidus de pesticides dans les compartiments de l'environnement) afin d'étudier l'exposition des écosystèmes ainsi que l'exposition humaine via l'atmosphère, les populations cibles étant des passants, des résidents locaux et même la population en général. Le résultat opérationnel sera la définition de cartes d’exposition spatio-temporelles obtenues à l’aide d’outils de modélisation développés ou utilisés en laboratoire, tels que les modèles de devenir dans l’environnement, les modèles de dispersion atmosphérique, la plate-forme de modélisation telle que V-Soil et Open Fluid (Projet Muse, thèse envisagée). Un outil TyPol intégrant les paramètres d’écotoxicité et de toxicité récemment intégrés servira à identifier les composés à étudier (projets REPAIR, PHYLODISPO) ou à prédire le comportement environnemental de nouveaux composés en complément des approches de dépistage suspectes (projet INSPECT). Les objectifs sont :

  • consolider nos connaissances sur les voies de dissipation des pesticides à l'échelle du paysage ;
  • améliorer les outils de modélisation en prenant en compte les différentes sources de contamination diffuse, en décrivant autant que possible les liens entre la gestion des agro-écosystèmes et la dynamique des pesticides dans l'environnement et l'impact de la configuration spatiale de parcelles ou d'autres éléments du paysage sur leur dissipation (en relation avec le ST4 «Diversité» ; 
  • améliorer nos connaissances et les modèles associés concernant les processus déterminant le devenir dans l’environnement des pesticides et de leur biodisponibilité en tenant compte du moyen-long terme, de l’émergence de produits de dégradation ou de l’effet de la formulation sur le comportement des ingrédients actifs.
  • mieux évaluer les effets à long terme des pesticides sur certains organismes du sol (carabidés, oligochètes).
  • étendre le champ d'application des outils actuellement développés pour les cultures arables à d'autres contextes de pratique des pesticides (par exemple en viticulture)

2) Le deuxième objectif vise à évaluer les conditions environnementales et les mesures de gestion identifiées pour favoriser ou limiter les expositions et / ou les effets des contaminants. Outre les pesticides, ECOSYS étudie de nombreux autres contaminants (composés azotés gazeux, particules biotiques - agents pathogènes et leur virulence, contaminants liés à la biomasse recyclée tels que produits pharmaceutiques, contaminants organiques persistants, métaux) pouvant être présents dans divers compartiments (sol, air, eau, plantes et les organismes du sol). En fonction du contaminant et des pratiques associées, diverses mesures de gestion peuvent être proposées pour atténuer leurs effets. Par exemple, l'injection de sol, l'implantation de haies, le labour / non-labour auront un impact sur les émissions gazeuses. Le choix du cultivar et du mélange d’espèces augmente la biodiversité et peut limiter la dispersion de particules biotiques et l’utilisation de pesticides (thème structurant «Diversité»). L'utilisation de composés de substitution moins impactants peut être proposée (produit pharmaceutique, pesticide…). Ces leviers de gestion peuvent avoir un impact sur différentes étapes de l'exposition ou sur les effets, mais ils peuvent en augmenter d'autres (par exemple, émission de GES, lixiviation de nitrates…). Les impacts globaux des pratiques de gestion doivent donc être évalués. Pour rechercher une évaluation intégrée des risques et enrichir la composante environnementale dans une évaluation multicritères, nous fonderons notre analyse sur des outils déjà utilisés en laboratoire, tels que 1) les modèles d'échange de polluants sol / végétation / atmosphère et les modèles de dispersion / dépôt dans l'air (allant de l'organe à la parcelle), modèles de transfert de sol (Pastis-Mulch,…), modèles de culture, outils à l'échelle du paysage ou de la région (Nitroscape, Chimere,…), plateformes de modélisation (V-sol,…), métamodèles (Émission de NH3) ou Typol (thèse sur la biodégradation de produits pharmaceutiques,…). Nous chercherons à les améliorer afin de garantir une description adéquate des facteurs en jeu lors de la mise en œuvre des pratiques de gestion et de traiter les impacts pouvant être multiples liés à la multi-contamination et 2) les modèles biologiques (vers de terre, enchytréides, carabides et micro-organismes) utilisés pour décrire les mécanismes des effets toxiques et développer des outils biologiques permettant d'évaluer les effets écotoxiques. Les recherches réalisées sur ces modèles biologiques visent à relier l'exposition des organismes aux contaminants, aux effets toxiques, compte tenu de la variabilité de la sensibilité des espèces, et à l'influence des paramètres environnementaux dans des conditions d'exposition réalistes, afin de prévoir l'impact des contaminants sur les écosystèmes. Les perspectives à court terme seront axées sur :

  • identifier ensemble les leviers d'action à évaluer, les voies d'exposition à explorer pour faire converger au mieux nos approches (une discussion sera organisée dans les premiers mois).
  • démêler les effets confondants avec les biomasses organiques recyclées (en relation avec le thème structurant «Biomasses»)
  • une meilleure intégration de la réponse plante / contaminants et des interactions. Les procédés étudiés sont les dépôts aériens gazeux, particulaires et fongiques sur les parties aériennes, la contamination des produits récoltés avec les contaminants émergents, la description du comportement des contaminants dans les modèles de culture,  la santé des plantes. L'impact de ces différents stress (seul ou combiné) a un impact sur le fonctionnement de la plante, en particulier sur le métabolisme du carbone et de l'azote et sur sa vulnérabilité aux maladies (projets OPERATE et H2020 DECIPHER).

Les échelles choisies seront les parcelles et le système de culture, avec des études plus fines si nécessaire. La réalisation de ces objectifs repose sur le travail développé dans chacune des 3 équipes (sections suivantes) et les interactions aideront à identifier les études de cas communs à considérer ainsi que les améliorations requises en termes de méthodologies ou d'outils développés. En termes de méthodologies, être capable de gérer la diversité des scénarios exposition-effet (contaminants x pratiques x climat) pose la question de connaissances suffisantes sur les facteurs environnementaux (propriétés de surface, variables météorologiques) et les pratiques agricoles (informations détaillées sur les intrants mais également labour et successions de cultures, choix de cultivars) ce qui n’est pas toujours le cas mais reste essentiel pour évaluer les effets de facteurs confondants Un renforcement de notre collaboration avec les agronomes peut nous aider dans cette voie. Une réflexion sera également nécessaire sur l'identification des situations de référence pour interpréter les observations, le choix de ces situations étant loin d'être anodin. Sur le plan méthodologique, outre l’amélioration des modèles évoquée plus haut, les méthodes de dépistage non ciblées permettraient d’aller plus loin dans l’évaluation de multiples contaminations, en particulier pour les contaminants organiques et leurs produits de transformation (en relation avec certaines pratiques, cf. "Biomasses"), étendre nos capacités analytiques pour les mesures en conditions réelles multi-matrices (air, plantes, organismes) et multi-résidus (y compris le criblage a priori) serait également intéressant pour établir un équilibre des contaminants entre tous les compartiments.

Insertion dans ECOSYS

Les trois équipes de l'unité sont impliquées dans cette thématique multidisciplinaire : transferts physiques sol et atmosphère, écotoxicologie, physico-chimie de surface, chimie environnementale, écophysiologie, phytopathologie. Les liens sont forts avec les autres thèmes structurants, qui fournissent les variables de forçage et les systèmes étudiés (climat, utilisations des sols, intrants, modèle de culture) ou reçoivent les résultats de ce thème structurant (par exemple, les modèles d’approches paysagères).

La variété des approches mises en œuvre et la gamme des objets étudiés nécessitent une diversité de compétences et le développement de systèmes expérimentaux dédiés, une surveillance continue sur des dispositifs d'observation ou de modélisation à long terme. Cela crée un fort besoin de ressources humaines pour couvrir cette diversité de compétences ainsi que sur le plan budgétaire pour couvrir les nombreuses analyses chimiques, physiques et biologiques basées sur un parc analytique à maintenir et à renouveler. Nombre de projets en cours et de sources de financement fournissent ces activités : projets européens -2020 Pesticides à venir, LIFE, ANR, INRAE, ADEME, APR thématique, ANAEE, privé, etc. (par exemple, AGRIMULTIPOL, AMP'AIR BAGAGES, COPP'R, DABARES) , DICOV, DIGESTATE, EVAPRO, MIPP,… Annexe 4). La dispersion des activités est un risque majeur, que nous nous efforcerons de limiter en partageant nos approches (en modélisation et en expérimentation) et en promouvant leur généricité et leur niveau d'intégration. En outre, nous développons des collaborations au sein de diverses structures telles que LabEx BASC, FIRE, des instituts nationaux et techniques, ainsi qu’au niveau international; par exemple, traitant des contaminants atmosphériques, avec LSCE, IRCELYON, LA Toulouse, CESBIO, LCE Marseille, IPS2, ESE, Ineris, Citepa, Météo-France, UNIFA, APCA, AASQA-AirParif, PACA,… -, CEH, Alterra ,. ..); pour les contaminants organiques, avec Métis, IMPMC, ICMMO, INRAE-LISAH, LBE, AgroEcologie, Agronomie, AGIR, EMMAH, ISPA- IRSTEA -Lyon, Antony, Montpellier ...-, CIRAD - Unité Recyclage et Risques-, Veolia, Chrono -Environnement, Univ. Claude Bernard Lyon, Univ. Paris Est Créteil (LEESU), ISA CNRS Lyon, Univ. Lyon (LEM), SLU Suède, Alterra Pays-Bas, Universités du Missouri et de Toronto, ..; pour les contaminants biotiques avec BIOGER, ESPCI, MIT,… et pour les métaux avec Veolia, le Cirad, INRAE-LSE, l'agroécologie, l'ISPA,… - Université de Zagreb, ... Pour atteindre les objectifs définis dans le cadre de ce thème de structuration, en outre le renforcement de ces collaborations - par exemple avec l’unité Agronomie de Grignon pour ce qui est des pratiques agricoles à considérer-, nous devons initier de nouvelles collaborations avec les laboratoires qui étudient le devenir et les transformations des contaminants dans les organismes vivants, y compris les plantes (DTU,…) et les partenaires de la santé humaine (via «phytopharmacovigilance»), les spécialistes de la santé environnementale tels que le CHU de Bordeaux, toxicologues, épidémiologistes…), ou écotoxicoles aquatiques. En ce qui concerne les questions opérationnelles, notre recherche est orientée vers le transfert des résultats de ces activités vers la prise de décision publique (ERA - ANSES par exemple, ministères, APCA ou à des échelles plus locales - territoires, bassins versants, ONEMA / AFB, ministère, CITEPA…) mais cela reste un défi.