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Projet PHYTORET (INTERREG IV, 2010-2014)Zone artificielle humide en contexte viticole alsac ien:
approche, résultats et valorisation
Laboratoire d’Hydrologie et de Géochimie de Strasbourg (LHyGeS), UMR 7517 Université de Strasbourg-CNRS, Strasbourg, France
Gwenaël Imfeld, CR-CNRS et al.
Journée Eau-Pesticides, AERM28 octobre 2015
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• France: 1 er utilisateur EU (62700 tons in 2011) / diversité des substances
Contexte: pesticides et agriculture
• Viticulture: 3.7% SAU et utilisation 20% du tonnage
2
Ye et al., 2010, Environ. Poll.
• Détection : eaux de surface (90%) et souterraines (53%) (France)
• Complexité croissante des molécules
=> 30% molécules chirales (herbicides)
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Devenir des pesticides dans les agro-écosystemes
Problématique : � Processus de transfert de matière (eau, solides,
solutés) en lien avec le forçage hydrologique et l’activité anthropique
Objectif : � Comprendre, quantifier et prédire le fonctionnement hydrologique &
biogéochimique (cycles, stocks et flux) d’un agrosystème en culture pérenne
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Les zones tampon humides (ZTH): ‘laboratoires naturels’
• Systèmes d’interface eau-sédiment-organismes ubiquistes
Diversité génétique et
fonctionnelle
Eau
VégétationMicro-
organismes
Sédiment
Cycles biogéochimiques
Gradients redox
Kadlec, 2009, Ecol. Eng. ; Faulwetter et al., 2009, Ecol. Eng.; Garcia et al., 2010, ES&T
• Services éco-systémiques (zones tampons hydrologiques, qualité de l’eau)
• ‘Bioréacteurs’ chimiques (traitement, bioprocédés)
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Oxic
Anoxic
Rhizosphere
Phytoaccumulation
sorption
transpiration
hydrolysis
Biodégradation
Biotransformation
volatilisation
Pesticides
Dissipation des polluants dans les zones humides
5
wa
ter o
xy
ge
n
Feedback:
Hydrologie
�
Biogeochimie• Bilan de masse?
• Processus destructifs vs. processus non-destructifs?
• Impact des conditions hydro-biogéochimiques?
• Bilan de masse?
• Processus destructifs vs. processus non-destructifs?
• Impact des conditions hydro-biogéochimiques?
INOUT
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6
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7
1. Combiner: échelles spatiales et temporelles modulant le transfert=> évaluer: distribution, cinétique et dynamique des pesticides dans les écosystèmes
Processus élémentairesFonctionnement globale
Continuum
Lois/mécanismes
Feedback: applicabilité
⇒ Bilan de masse et distribution des pesticides: échelle de l’écosystème récepteur?
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France
Rouffach
8
Bassin versant viticole:• Area : 42.7 ha • 67 % vineyard• Mean slope: 15 % • Pyearly : 600 mm• Runoff coeff.: 0.2 – 1.2%
Zone tampon humide:• Surface: 320 m2
• Volume: 1500 m3
• HRT: 8-12 hs• Quiescent period: 10 d• Vegetation: Phragmites australis
Inlet
Water discharge records
Zones tampon humide: le modèle de Rouffach (68)
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Quelques résultats…
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Bilan de masse et mesure des flux de pesticides
• Campagnes mensuelles (04-11)
• Suivi des flux en continu
• Quantification des pesticides
• Estimation de la (bio-)masse pour chaque compartiment
• Bilan de masse
Particulairesievedfiltered
Eau
Eau
Sédiment
algues macroinvertébrés
Phragmites
Parties
aériennes
Racines
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24 molécules d’herbicides et fongicides viticoles
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
-2 -1 0 1 2 3 4 5
CYA CYP
DIF
DIT
FLU
GLY
KM
MET
PYR
SPI
TET
Cyazofamid (CYA)
Fludioxonil (FLU)
Kresoxim methyl (KM)
Dithiocarbamates (DIT)
Difenoconazole (DIF)
Cyprodinil (CYP)
Pyrimethanil (PYR)
Spiroxamine (SPI)
Tetraconazole (TET)
Glyphosate (GLY)
AMPA (AMPA)
Metalaxyl (MET)
Log solubilité dans l’eau [mg L-1]
Lo
gK
oc
Molécules
hydrophobes
Modérément
hydrophobes
Hydrophiles
Sorptive mais
soluble!
Fongicides / Herbicides
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• La dissipation varie en fonction des molécules!
Dissipation de la fraction solide
Dissipation de la fraction dissoute
Dis
sip
ati
on
[%
]
11
Dissipation massique des pesticides
Maillard et al., 2011 STOTEN; Maillard et al., 2014 ES&T
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Distribution des pesticides dans les compartiment de la ZTH
Dissolved pesticide loadsSolid-bound pesticide loads
Pesticide loads in plants and invertebratesPesticide loads in bed sediments
Matière en suspension Eau
Racines de PhragmitesSédiments
Maillard et al., 2014 ES&T
N-(phosphonomethyl)glycine‘Glyphosate’
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N-(phosphonomethyl)glycine‘Glyphosate’
AMPA
16
Dégradation du glyphosate en AMPA
Imfeld et al., 2014 Chemosphere
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17
Dissipation, accumulation et dégradation
Accumulation Dégradation AccumulationMaillard et al., 2011 STOTEN; 2014 ES&T
Printemps Eté Automne
STO
CK
AG
E
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18
Conclusions: transport des pesticides dans les ZRV
• Dissipation massique des pesticides: 70-95% (30-100% selon les molécules)
• Pesticides accumulés => sédiments (printemps et été)
• Régime hydrologique et charges de pesticides: peu d’impact sur la dissipation
• Eté: « puit » (végétation à maturité); Fin d’étè: « source » potentiel (AMPA)
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Perspectives…
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RS
SS
SRRR
S-métolachlore (Mercantor gold®, Syngenta)
SPE extraction& concentration
S R
2. Caractériser, quantifier et prédire: transformations biotiques et abiotiques
• Enrichissement énantiomérique• Biotransformation stéréosélective
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21
An
ox
ieO
xie
N
O
Cl
O*
Persistence du
R-métolachore:
transformation microbienne
énantioselective
Transformations énantioselectives
Elsayed et al., 2015, STOTENElsayed et al., 2015, STOTEN
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2. Caractériser, quantifier et prédire: transformations biotiques et abiotiques
• Tests photolytiques
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Transformations …. des produits de transformation…
Gutowski et al., 2014 STOTEN; Gutowski et al., 2015, Chemosphere
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Valorisation…
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Un site et un guide multi-acteurs ‘bilan du projet’ (38 pp.)
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University of Strasbourg
Stéphane Vuilleumier (GMGM)
Mireille Del Nero (IPHC)
EC2CO Écosphère Continentale et Côtière
CYTRIX
UHA ColmarKarine Jezequel
UFZ LeipzigHans Richnow Ivonne Nijenhuis Martin Thullner
EPFL-LausannePierre Rossi, Noam Shani
University of Freiburg Jens Lange
University of LüneburgKlaus Kümmerer
RITTMO-Environment
VU University Amsterdam Boris Van Breukelen
CSIC (Spain) Joan Garcia
ScientistsJoëlle Duplay, CNRS Gwenaël Imfeld, CNRS Mathieu Granet, CNRS Sylvain Payraudeau, ENGEES Charline Wiegert, Post-doc
Lab/field-techniciansBenoît Guyot, CNRS Eric Pernin, ENGEES
PhD studentsOmniea Azzam -Microbio.Izabella Babcsányi –Geochem. Fatima Meite - Geochem.Bastien Wild– Mineral.
Master studentsHenry Bégué
http://lhyges.u-strasbg.fr/
[email protected] group: « Pollutant biogeochemistry and transfer» (CNRS-UdS, U MR 7517)