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