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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

• 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

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Ye et al., 2010, Environ. Poll.

• Détection : eaux de surface (90%) et souterraines (53%) (France)

• Complexité croissante des molécules

=> 30% molécules chirales (herbicides)

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

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)

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

6

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?

France

Rouffach

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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)

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

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

• 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

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’

N-(phosphonomethyl)glycine‘Glyphosate’

AMPA

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Dégradation du glyphosate en AMPA

Imfeld et al., 2014 Chemosphere

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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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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)

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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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

Valorisation…

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25

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/

imfeld@unistra.frResearch group: « Pollutant biogeochemistry and transfer» (CNRS-UdS, U MR 7517)