Entre Contamination et Pollution des Sols Agricoles par les Eléments Traces · 2015. 12. 2. ·...

Webinaire AFES, 11 juin 2015

Entre Contamination et Pollutiondes Sols Agricoles par les Eléments Traces

Plaidoyerpour une Evaluation à Long-Terme

du Risque EcotoxicologiqueMatthieu BravinUnité Recyclage et risquematthieu.bravin@cirad.fr

1. Eléments de compréhension

2. Sources et impacts écotoxicologiques

3. Prédiction à long-termede l’accumulation dans les sols

4. Nouveaux paradigmes en écotoxicologie

Webinaire AFES

1. Eléments de compréhension

Eléments Traceset « Synonymes »Webinaire AFES

Hodson (2004) ENPO, 129Hooda (ed.) (2010) Trace elements in soils

Définition qui souffre d’exception,ex. fond pédogéochimique naturellement élevé

Eléments naturellement ubiquistesdans les sols, concentration < 100 mg kg-1

Plus inclusif et approprié que métaux lourds,les ET ne sont ni tous lourds, ni tous des métaux (As)

Plus neutre qu’éléments potentiellement toxiques,dépend de la nature, de la spéciation et de la concentration

Contamination vs. PollutionWebinaire AFES

Contaminantsubstance présent dans le sol du fait de l'activité humaine

Polluantsubstance présente dans le solet qui est suffisamment (bio)disponiblepour avoir des effets préjudiciablessur les fonctions du sol ou l'utilisation du sol

Un sol contaminén’est pas forcément pollué

Concept de BiodisponibilitéWebinaire AFES

DisponibilitéEnvironnementale

BiodisponibilitéEnvironnementale

BiodisponibilitéToxicologique

Membrane

Contaminant TOTAL

Phase Solide

Fraction libre

Solution

Absorption

Bio‐Accumulation

EffetToxique

Seuil detoxicité

ORGANISME

MesuresChimiques

MesuresBiologiques

ISO 17402 (2008)

Ecotoxicologie TerrestreWebinaire AFES

D’après INERIS

Concerne l’étude des effets toxiquesdes contaminantssur les organismes vivants du sol

Inclut le devenir des contaminants dans le sol(concentration, spéciation, disponibilité)

Inclut la bioaccumulation des contaminantsessentiellement toxiques pour l’Homme

Webinaire AFES

2. Sources et impacts écotoxicologiques

Sources d’Eléments TracesWebinaire AFES

Zones Urbaine et Industrielle Zones Rurale et Agricole

Aquifère

Coursd’eau

Fertilisants min. (P)Résidus organiquesProd. PhytosanitairesAmendements Ca/Mg

Emissions atmosphériques

Résidus organiquesurbains et industriels

Grande diversité de sources

Forte variabilité des quantités apportéeset des contributions suivant les sources

RO élevage

Dépôtsatmosphériques

RO urbains

Amendementscalco-magnésien

Fertilisantsminéraux

Prod. Phyto.

Belon et al. (2012) STOTEN, 439

Flux moy. ET sols : Zn >> Cu >> Cr > Pb > Ni > As >> Mo > Se > Cd > HgTonnes an-1 15 200 12

Résidus organiques ≥ 50 % apport ET sauf Cd et Se

RO élevage

RO urbains

Prod. Phyto.

Cu, fongicides viticulture et arboriculture

RO élevage

RO urbains

Prod. Phyto.

Pb, activités industrielles

RO élevage

RO urbains

Prod. Phyto.

Pb, activités industrielles

Cd, Engrais phosphatés

Devenir dans les SolsWebinaire AFES

Accumulationdans les sols

Contamination des sols

Vieillissement

Toxicité vis-à-vis des organismes du sol

ETFertilité

des sols

Contamination de la chaîne alimentaire

Transfertssol-plante

Transfertssol-animal

Accumulation Progressive dans les SolsWebinaire AFES

Entrées ET dans les solsgénéralement >> sorties ET

Particulièrement vrai pour Cu et Zn dans solsrecevant des résidus organiques issus de l’élevage

Exportations par récolte < 1% des quantités apportées

Lixiviation < quantités apportées même si potentiellementdu même ordre de grandeur

Pertes par érosion potentiellement (très) importantesmais très dépendantes des conditions de culture

Chassin et al. (1996) EGS, 3-4

Mécanisme de ToxicitéWebinaire AFES

Milieuintracellulaire

Surface/membraneorganisme

Milieuextracellulaire

Complexation sur les surfaces exposéesde l’organisme (ligand biotique)

Slaveykova et Wilkinson (2005) Environ. Chem., 2Kopittke et al. (2014) Environ. Toxicol. Chem., 33

Effet toxique+

Complexation

Echelle de ToxicitéWebinaire AFES

2 groupes principaux

Toxicité pour organismes du sol < toxicité pour Homme⇒ Tendance à s’accumuler dans la chaîne alimentaire

• As, Cd, Hg, Pb

Toxicité pour organismes du sol > toxicité pour Homme• Exemple de l’échelle de rhizotoxicitéTl = Ag > Cu > Hg = Ni = Ga = Ru = In > Sc = Cd = Gd = La = Co = Cs = Pb > Zn = Al = H > Mn > Ba = Sr > Li > Mg > Ca = Na > K

Kopittke et al. (2011) Environ. Toxicol. Chem., 30

Exemple : Cuivredans les Sols ViticolesWebinaire AFES

Reconversion du vignoble languedocien

Horizonsurface

Horizonprofond

VigneVitis sp.

CuTraitementfongicide

CuCuCu Cu Cu

Cu CuCu

Blé durTriticum turgidum durum

Reconversiondu vignoble

CuCu Cu Cu

Cu CuCu

80 000 ha

Exemple : Cuivredans les Sols ViticolesWebinaire AFES

Phytotoxicité de Cu sur blé dur

Chlorose ferrique internervaireinduite par Cu

Localisée au niveau de la zonede remplissage du pulvérisateur

ou en ligne suivant l’emplacement des anciens rangs de vignes

Michaud et al. (2007) PLSO, 298

Arsenal RéglementaireWebinaire AFES

Engrais minéraux et/ou organiquesConcentration dans les engrais

Expertise collective MAFOR (2014)

Ne concerne qu’une petite partie des ETProjet de révision de la directive Boues

avec baisse des concentrations maximales autorisées

Engrais minéraux et/ou organiquesFlux d’apport au sol

Expertise collective MAFOR (2014)

Flux d’apport réels non vérifiés pour les produits

N’assure pas une absence d’accumulation dans les sols

Concentration initiale du sollégislation Boues

Valeurs seuils pour les sols en mg/kg de MS Directive Européenne

86/278/EEC (1986) 6<pH<7

Arrêté du 8 janvier 1998 (pour pH ou

égal à 5)

Projet de révision de la directive européenne (2000)

5<pH<6 6<pH<7 pH>7 Cd 1 à 3 2 0,5 1 1,5 Cr ‐ 150 30 60 100 Cu 50 à 140 100 20 50 100 Hg 1 à 1,5 1 0,1 0,5 1 Ni 30 à 75 50 15 50 70 Pb 50 à 300 100 70 70 100 Zn 150 à 300 300 60 150 200

Certains dépassent naturellement ces seuilsDérogation possible

Concentration admissibledans les organes consommés des plantes

Journal Officiel CE, 2001

Céréales et légumineuses 0,1-0,2 0,2Cultures maraîchères 0,05 0,1

mg kg-1 MB

ConclusionWebinaire AFES

A retenir…Grande diversité de sources et de niveaux d’apport des ET sur les sols

Accumulation progressive des ET dans les sols agricoles

Effet toxique très variable suivant ET

Réglementation limite le risque écotoxicologiquesur le court/moyen terme (< 10 ans)

Incertitude beaucoup plus forte sur le long-terme

Webinaire AFES

3. Prédiction à long-termede l’accumulation dans les sols

Processus Contrôlant l’AccumulationWebinaire AFES

l’ac

Bilan de masse à la parcelleEntrées par:

Résidus organiques (RO)

Engrais minéraux (NPK)

Irrigation (IR)Produits

phytosanitaires (PHY)

Sorties par :

Prélèvement par les végétaux

Lixiviation

Limites des travaux récentsWebinaire AFES

l’ac

Extrapolation sur le long-terme⇒ Validation rigoureuse des termes du bilan

Tenir compte de l’incertitudedes données d’entrées sur les simulations

Analyser la sensibilitédes paramètres du modèles

Confrontation des profils temporels de concentrationsmesurés et simulés⇒ Nécessite jeux de données conséquents⇒ Rarement fait ou seulement de façon incomplète

Peut être évalué par simulations théoriques

Julich et al. (2012) WASP, 223

Validation IncomplèteWebinaire AFES

l’ac

Uniquement pour certaines équationsEquations transfert sol-plante

de Vries et McLaughlin (2013) STOTEN, 461-462

l’ac

Des profils temporels de concentrationValidation limitée à comparaison de flux net d’apport au sol

Validation limitée à une date intermédiaire ou finale

Chen et al. (2013) ENPO, 178

l’ac

Jeux de données dont les concentrationsde tous les ET varient (très) peu

Legind et al. (2012) PLoS ONE, 7

Exemplede Validation ComplèteWebinaire AFES

l’ac

Accumulation As dans sol fertilisé avec desengrais phosphatés pendant 150 ans !

Hartley et al. (2013) ENPO, 180

MoyenneMin

Nouveaux RésultatsWebinaire AFES

l’ac

Essais du Réseau PRO

Casdar Réseau PRO (2011-2014)SMRA 68 et ARAA

Boues StepMaïs grain (68)• Haut‐Rhin, 0,6 m/an• 15 ans

• 15‐20 tMB/ha/an sur 5 ans

• Néoluvisolfersiallitique pH 6

l’ac

Casdar Réseau PRO (2011-2014)

Boues StepMaïs grain• Haut‐Rhin, 0,6 m/an• 15 ans

Composts élevageMaraîchage (974)• La Réunion, 1,3 m/an• 7 ans

• 30‐60 tMB/ha/an

• Cambisol andiquepH 5,5

l’ac

Boues StepMaïs grain• Haut‐Rhin, 0,6 m/an• 15 ans

Composts élevageMaraîchage• La Réunion, 1,3 m/an• 7 ans

• 30‐60 tMB/ha/an

• Cambisol andiquepH 5,5

Effluents élevagePrairie (974)• La Réunion, 4,5 m/an• 8 ans

• 240‐420 m3/ha/an 20‐35 tMB/ha/an

• Andosol pH 6

Nouveaux RésultatsNickelWebinaire AFES

l’ac

Pas d’accumulation dans les solsNi sol, mg kg‐1 Ni sol, mg kg‐1

Cycles de culture

Boues Step chauléesFertilisation minérale

Nouveaux RésultatsNickelWebinaire AFES

l’ac

Flux << ambiance géochimique sol

10‐4

Flux, mg Ni m‐2 cycle‐1

10‐2

104Ambiance géochimique

Engrais P

Engrais N‐K

ApportsAtmo.

Lixiviation

Plantes

Entrées Sorties

Nouveaux RésultatsZincWebinaire AFES

l’ac

Accumulation importante dans les sols

Zn sol, mg kg‐1

320Compost Lisier PorcsFertilisation minérale

Zn sol, mg kg‐1

Cycles de culture

Nouveaux RésultatsZincWebinaire AFES

l’ac

Flux résidus organiques >> autres flux

Entrées Sorties

Ambiance géochimique

Flux, mg Zn m‐2 cycle‐1

10‐1

Engrais minéraux

Lixiviation

Plantes

Nouveaux RésultatsCuivreWebinaire AFES

l’ac

Accumulation modérée dans les sols

Cycles de culture

Cu sol, mg kg‐1

90Compost Fumier Bovins

Cu sol, mg kg‐1

90Non fertilisé

Transportcolloïdale ?

Nouveaux RésultatsCuivreWebinaire AFES

l’ac

Flux résidus organiques >> autres flux

Ambiance géochimique

10‐1

Flux, mg Cu m‐2 cycle‐1

PRO LixiviationPlantes

Entrées Sorties

Exemple d’ApplicationWebinaire AFES

l’ac

Prospective territoriale de recyclagede résidus organiques t/ha

Culture Produit DoseCàS Lisier Porc 60CàS Litiere Volaille 8CàS Fiente Pondeuse 8CàS Engrais Synthese13-8-24 0,9

CàS CCLLB 16,5CàS EOMLLB 2CàS EOFVB 4CàS EOBVB 4

Maraîchage Litiere Volaille * 8,0Maraîchage Fiente Pondeuse * 10,0Maraîchage Ecume * 8,0Maraîchage compost_UT4 * 8,0Maraîchage Engrais Synthese13-8-24 0,9

Maraîchage CCLLB ** 17,6Maraîchage EOMLLB 2,5Maraîchage EOFVB 4,5Maraîchage EOBVB 4,5

Casdar GIROVAR (2011-2014)

Exemple d’ApplicationWebinaire AFES

l’ac

Prospective territoriale de recyclagede résidus organiques

Casdar GIROVAR (2011-2014)

0 20 40 60 80 100

Moy.Réunion

Maraîch. MPO CCLLB

CàS, MPOengrais synthèse

Concentrations sol [m

années

ConclusionWebinaire AFES

l’ac

A retenir…Bonne connaissance du comportement des ET

permet la prédiction du devenir à l’aide de modèles simples

Transport particulaire/colloïdale encore mal connu⇒ Apport récent des nanosciences

Nécessite des jeux de données conséquentset sur le moyen/long terme pour validation des modèles

Couplage modèles d’accumulationavec évaluation écotoxicologique à faire

Webinaire AFES

4. Nouveaux paradigmesen écotoxicologie

Webinaire AFES

Evaluation Ecotoxicologique Classique

Principe1 sol non contaminé et naturellement peu riche en ETAjout doses croissantes de sels d’ET, ex. NiCl2Mesure d’un effet toxique, ex. élongation racinaire de l’orge

Smolders (2007)

Webinaire AFES

PrincipeSimulation de l’effet toxique par modélisation

de la complexation des ET sur les surfaces racinaires

Thakali et al. (2006) ES&T, 40

Module « Biotique »Paramétrage constantes

de complexation

Webinaire AFES

PrincipeSimulation de l’effet toxique par modélisation

de la complexation des ET sur les surfaces racinaires

Module « Biotique »Paramétrage constantes

de complexation

Module « Abiotique »Détermination/estimation

spéciation ET en solution

Webinaire AFES

PrincipePrédiction des courbes dose-réponse

Proportion sites complexés par Ni sur racines orges

Concentration effective50% effet toxique

Webinaire AFES

Limites

Contamination artificielle du sol

Contamination

historique

Contamination

artificielle

Non prise en compte des effets de vieillissement

⇒ Surestimation des effets toxiques

Smolders (2007)

Webinaire AFES

Limites

Exposition de l’organisme aux ET du solModélisation de la spéciation ET en solutionBasée sur réactivité Matières Organiques Dissoutes

WHAMNICA-Donnan

Analytical determinationpHMajor cations, anionsTotal metalsDOC

EntréesSorties

FixedReactive Fulvic Acid

FA = DOM x 65%

Model estimationFree Cu2+ activity

Lofts et al. (2013) ENPO, 178

Modèle

Webinaire AFES

Limites

Exposition de l’organisme aux ET du solVariabilité réactivité MOD sols >> eaux naturelles

⇒ Biais dans prédiction spéciation ET dans solution du sol

Bryan et al. (2002) Comp. Biochem. Physiol. C, 133Djae et al. in prep1

10065 %

MOD réactive, % FA

Variabilitéréactivité MODdans eaux naturelles

135791113

p{Cu2+} Mesurées

R2 = 0.5RMSR = 1.1

Webinaire AFES

Limites

⇒ Biais dans prédiction effet toxique

Djae et al. in prep

0 20 40 60 80 100

with measured p{Cu2+}

FRIED-predicted Toxic Response

Webinaire AFES

Limites

Djae et al. in prep

0 20 40 60 80 100

Potential nitrification

Maize residue mineralization

Glucose-induced respiration

Webinaire AFES

Limites

Djae et al. in prep

0 20 40 60 80 100

Folsomia candida reproduction

Eisenia fetida reproduction

Webinaire AFES

Limites

Djae et al. in prep

0 20 40 60 80 100

Barley root elongation

Tomato shoot growth

Folsomia candida reproduction

Eisenia fetida reproduction

Webinaire AFES

Limites

Exposition de l’organisme aux ET du solVariabilité réactivité MOD sols exacerbée

par apport de résidus organiques

Webinaire AFES

Limites

Exposition de l’organisme aux ET du solVariabilité réactivité MOD exacerbée dans la rhizosphère

Considérer une réactivité unique des MOD

⇒ Biais importantsur prédiction spéciation des ET en solution

et sur prédiction effet toxique

Djae et al. (2015) Icobte

Webinaire AFES

LimitesFacteurs confondantspour sols historiquement contaminés

Multi-contamination⇒ Quel(s) ET responsable(s) de l’effet toxique observé ?

Modifications des propriétés physico-chimiques des sols(pH, %MO…)⇒ Quel impact sur l’effet toxique observé par rapport aux ET ?

Webinaire AFES

10 résidus organiques

3 doses d’apport

2 sols

Hutte et al. (2013) Ramiran

Webinaire AFES

TRO-1 RO-2 RO-3

Nitisol Cambisol andique

Effet confondant pH sol très fort

Webinaire AFES

55,566,577,5

NitisolR² = 0,4

Difficile de corréler l’effet toxiqueà la disponibilité d’un ou de plusieurs ET

Webinaire AFES

Nouveaux OutilsMesures Biodisponibilité Environnementaleplutôt que Toxicologique

Développement du RHIZOtest pour les plantes

Racines

Solutionnutritive

ISO 16198 (2015)

Chaque ET mesuré sur plantes entières(parties aériennes et racinaires)

⇒ sensibilité du biotest

Webinaire AFES

Nouveaux OutilsMesures Biodisponibilité Environnementaleplutôt que Toxicologique

1 mesure par ETClassement de sols

Classement d’espèces végétales

Tomate, 4 solsAs Cu Zn Cd

ab bbc

bcdbcd

cde dee

Flux de prélèvement Cd,ng m–2 s–1

ISO 16198 (2015)

Webinaire AFES

Nouveaux OutilsAutres outils en développement

Mesures sur vers de terre• Sur Aporrectodea caliginosa plutôt que Eisenia fetida• Bioaccumulation globale ou partionnement subcellulaire

Beaumelle et al. (2015) STOTEN, 520

Mesures sur µ-organismes• Biotest sur champignon Trametes versicolor• Approche moléculaire, quantification populations résistantes• Approche au niveau de la communauté, PICT

Blanck (2002) Human Ecol. Risk Assess., 8

Mesures sur escargot• Sur Cantareus aspersus• Bioaccumulation dans les viscères

Pauget et al. (2012) STOTEN, 431

Webinaire AFES

Conclusion

A retenir…Travailler sur sols historiquement contaminés

Si spéciation non mesurée, vérifier qualité prédiction

Biodisponibilité environnementaleplus sensible et discriminante qu’effet toxique

Appliquer nouveaux outilssur sols historiquement contaminés

Adapter modèles écotoxicologiquesaux nouveaux outils

Webinaire AFESConclusion Générale

Problématique ET dans sols agricolesMoyen/long terme

Prédiction accumulation ET dans solConnaissance suffisante mais validation à étoffer

Nouveaux paradigmes en écotoxicologieNouveaux outils sur sols historiquement contaminés

Couplage des deux approchesNécessite des sites expérimentaux moyen/long termeObservatoires SOERE et Réseau PRO

Webinaire AFESRemerciements

Unité recyclage et risqueE. Doelsch, S. Legros, F. Feder…

Autres unitésUMR ECOSYS, UMR ISPA, IPGP, Lab. PROTEE

BailleursANR, UE-FEDER, Ministère Agriculture, INSU

Pour plus d’informationmatthieu.bravin@cirad.frhttp://agents.cirad.fr/index.php/matthieu.bravin@cirad.frhttp://rhizotest.cirad.fr

Entre Contamination et Pollution des Sols Agricoles par les Eléments Traces · 2015. 12. 2. ·...

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