Atomic-scale study of pesticide interaction with soil mineral matter

par Bastien Belzunces

Thèse de doctorat en Physico-chimie théorique

Sous la direction de Fabienne Bessac.

Soutenue le 12-12-2017

à Toulouse 3 , dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de chimie et physique quantiques (Toulouse ; 2007-....) (laboratoire) .

mots clés

• Dynamique moléculaire
• Théorie de la fonctionnelle de la densité
• Pesticide
• Atrazine
• Métamitrone
• Fenhexamide
• Argile
• Montmorillonite
• Pyrophyllite
• Sols -- Teneur en pesticides
• Fonctionnelles densité
• Dynamique moléculaire

Titre traduit

Etude à l'échelle atomique de l'interaction de pesticides avec la matière minérale du sol

Résumé

Les pesticides sont des molécules utilisées en grandes quantités en France et dans le monde entier pour la protection des cultures. Lorsque ces substances sont répandues une grande quantit é rejoint les sols. Dans cette thèse, le devenir de pesticides dans le sol est étudié. Pour cela, trois pesticides ont été sélectionnés : l'atrazine, la métamitrone et le fenhexamide ; et une argile de type montmorillonite a été choisie. Les simulations menées lors de cette thèse emploient le formalisme de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). La première partie de cette thèse porte sur l'étude statique de l'interaction de l'atrazine avec la pyrophyllite et la montmorillonite. Dans les chapitres suivants, la Dynamique Moléculaire Car-Parrinello en DFT est utilisée. L'étude débute par les pesticides seuls, métamitrone et fenhexamide, puis leurs complexes avec un ou deux cations Na+ et Ca2+. Ensuite, l'adsorption de ces entités, en présence ou non d'eau, sur une surface de montmorillonite, est envisagée à l'aide de calculs périodiques. Dans le second chapitre de ce travail, des résultats issus d'optimisations de géométries en phase gazeuse sont présentés. La troisième partie développe les résultats obtenus pour l'adsorption de la métamitrone et du fenhexamide sur le modèle d'argile choisi. Dans le dernier chapitre, certaines des structures les plus stables de chaque pesticide adsorbé sur la surface ont été solvatées et une étude de la désorption du fenhexamide de la surface de montmorillonite a été réalisée à l'aide de la méthode Umbrella Sampling. Ce travail a permis de quantifier théoriquement la barrière d'énergie libre à franchir pour désorber le fenhexamide de la montmorillonite hydratée.

mots clés

• Molecular dynamics
• Density functional theory
• Pesticides
• Atrazine
• Metamitron
• Fenhexamid
• Clay mineral
• Montmorillonite
• Pyrophyllite

Résumé

Pesticides are widely employed molecules for crop protection in France and all over the world. When these substances are spread an important quantity reaches soils. In the present thesis, pesticide fate is under study. For this purpose, three pesticides have been selected: atrazine, metamitron and fenhexamid ; and the most abundant smectite clay type, montmorillonite, has been chosen. The computational simulations conducted in this thesis use the Density Functional Theory (DFT) formalism. The first part of this thesis treats a static study of atrazine interaction with pyrophyllite and montmorillonite. In the following chapters, Car-Parrinello Molecular Dynamics through DFT is used. This study begins with isolated pesticides, metamitron and fenhexamid, then their complexes with one or two Na+ and Ca2+. Finally, the adsorption of these entities, in the presence of water or not, onto a montmorillonite surface, is considered using periodic calculations. Within the second chapter of the present work, results from geometry optimisations in gas phase are presented. The third part develops the obtained results on the adsorption of metamitron and fenhexamid over the chosen clay model. In the last chapter of this thesis, some of the most stable structures of each adsorbed pesticide onto the surface have been solvated and a study of fenhexamid desorption from the montmorillonite surface using Umbrella Sampling has been done. This work allowed to quantify theoretically the free energy barrier to overcome to desorb fenhexamid from the hydrated montmorillonite.