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
Jun 30, 2015
Sûreté alimentaireQuelles 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
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
N2ON2OEffet sur la
qualité de l’air(GES)
Cycle de l’N Cycle du C
Effet sur le fonctionnement
des cyclesC/N
Effet sur laqualité de
l’eau(nitrate, MO,
pesticide)
Effet sur laqualité du
sol
Intrants chimiqueset organiquesN2ON2O
Effet sur laqualité de l’air
(GES)
Cycle de l’N Cycle du C
Effet sur le fonctionnement
des cyclesC/N
Effet sur laqualité de
l’eau(nitrate, MO,
pesticide)
Effet sur laqualité du
sol
Effet sur laqualité du
sol
Intrants chimiqueset organiques
Fonctions écosystémiques des sols agricoles
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Processus impliqués dans la dispersion des intrants: fonction filtre des sols agricoles
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
4
Eau de surface
VOLATILISATION
RUISSELLEMENT
LESSIVAGE
Eaux souterraines
Phase solidePhase liquide
Désorption
Adsorption
(RÉTENTION)
DÉGRADATIONS
ABSORPTION
minéralisation
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
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)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30Temps (jours)
% d
égra
datio
n du
pes
ticid
e
co-metabolismemetabolisme
Des cinétiques différentes:
Co-métabolisme: cinétique d’ordre 0,pesticide ni source de C ni sourced’énergie, accumulation de métabolites.
Métabolisme: cinétique du 1èr ordre,pesticide est une source de nutriments,minéralisation complète (pesticide →C02+NH4).
La biodégradation des pesticides
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30Time (days)
% m
iner
alis
atio
n du
pes
ticid
eno application1 applicationrepeated applications
1
2
3L’application répétée de pesticidespeut conduire à la biodégradationaccélérée des pesticides résultant dephénomènes d’adaptationmicrobienne.
Temps
Her
bici
de
Avantage : diminue la persistance dans le sol.
Inconvénient : diminue l’efficacité des pesticides et/ou favorise l’apparition d’adventices résistantes
Ex: développement de vulpin dans des champsdans des sols adaptés à la biodégradation accélérée de l’isoproturon.
Alopecurus myosuroides
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Biodégradation accélérée des pesticides: avantage/inconvénient
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Pendant environ 40 ans (Brevet USA, 1959) ladégradation de l’atrazine était connue pourêtre co-métabolique (Cytochrome P450 )
Deethylatrazine(DEA)
Deisopropylatrazine (DIA)
Deisopropyldeethylatrazine (DIEA)
atrazine
DEA et DIA sont des métabolites quicontaminent les ressources en eaux.
Topp et al. 2005 In "Pesticide, Decontamination and Detoxification
Atrazine
CO2 + NH4
La minéralisation de l’atrazine a étérapportée il y a 20 ans.
Minéralisationcomplète de l’atrazine
Mandelbaum et al.1995 Appl EnvironMicrobiol 61: 1451–1457.
Adaptation à la biodégradation accélérée des pesticides: cas de l’atrazine
atzA
Atrazine chlorohydrolase
atzB
Hydroxyatrazine ethylaminohydrolase
atzD
Cyanuric acidamidohydrolase
atzCN-isopropylammelideisopropylaminohydrolase
Allophanate hydrolase
atzF
Biuretamidohydrolase
atzEO
allophanate
trzN
Nocardioides sp. C190Top et al 2000, Appl Env Microbiol
trzD
Pseudomonas sp. Strain NRRLB-12227Karns 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.
Voie de minéralisation de l’atrazine: gènes atz et trz
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
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.
Pour revue Udikovic-Kolic et al. 2012 J. Appl. Microbiol. 96: 1175-1189
Expansion pandémique de populations bactériennes dégradant l’atrazine
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
variations spatiales du pH
010203040506070800
10
20
30
40
506,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6
K second traitement
Length (m)
Wid
th (m
)
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
k, vitesse de minéralisation
pH du solVariabilité spatiale de la minéralisation del’IPU (k) similaire à celle du pH,
Mettant en évidence l’influence deparamètres physicochimiques surl’expression du potentiel d’attenuation d’unsol
El Sebai et al. 2004 FEMS Microbiol. Lett. 239:103-110; El Sebai et al. 2005 Agr Sust Dev 25:271-277El Sebai et al. Env. Poll. 2007 145:680-690
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80 100
Time (days)
14C
O2
(% in
itial
radi
oact
ivity
)3‐(4‐isopropylphenyl)‐1,1‐dimethylurea
10 m
1611
16
21
26
31
36
41
46
5
40 m
90 m
10 m
50°13'21'' N02°21'28''E
10 m50
Le Souich (France)
Variabilité spatiale de la minéralisation des pesticides
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
un modèle simple permet de prédire la vitessse de minéralisation (µm) del’isoproturon en fonction de l’humidité équivalente et du pH du sol représentantjusqu’à 85% de la variabilité observée.
Hussain et al. 2013 Chemosphere 90 : 2499-2511
Modélisation de la variabilité spatiale de la minéralisation de l’isoproturon
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Fonction ecosystémique ‘filtre’ des sols arables: atténuation naturelleApplication 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
Merci pour votre attention
MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
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