Elaboration d'un modèle de prédiction de la phytodisponibilité du cadmium dans les sols agricoles : application à la contamination cadmiée du blé dur

Development of a predictive model of the bioavailability of cadmium in agricultural soils : application to the cadmium contamination of durum wheat

• Auteur / Autrice : Yoann Viala
• Direction : Valérie Sappin-Didier, Christophe Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie et écotoxicologie
• Date : Soutenance le 27/06/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Pessac, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions sol plante atmosphère (INRA Bordeaux-Aquitaine)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Atteia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Sappin-Didier, Christophe Nguyen, Olivier Atteia, Sophie Cornu, Philippe Cambier, Marilyne Soubrand-Colin, Yann Sivry, Guénolé Grignon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Cornu, Philippe Cambier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cadmium

Sols -- Absorption et adsorption

Cadmium

Blé dur

Mots clés libres

Cadmium

Biodisponibilité

Modélisation

Spéciation

Sorption

Partitionnement

Cadmium

Bioavailability

Modelling

Speciation

Sorption

Partitionning

Résumé

Le cadmium (Cd) est un élément trace présent dans les sols agricoles qui contamine la chaîne alimentaire en étant prélevé par les plantes et accumulé dans les produits végétaux consommés. La biodisponibilité du Cd est un concept au cœur de l’évaluation des risques de transfert excessif du Cd du sol vers les plantes. Les plantes prélevant essentiellement l’ion Cd2+ dans la solution de sol, la biodisponibilité est fonction de deux principaux processus, la spéciation du Cd en solution (les différentes formes chimiques prises par le Cd en solution) et le partitionnement du Cd2+ entre la phase solide et la solution. L’objectif principal de ce travail a été d’élaborer des modèles simples à visée opérationnelle prédictifs de la concentration en Cd2+ dans la solution de sols agricoles, en modélisant soit la spéciation du Cd en solution de sol, soit le partitionnement phase solide-solution du Cd2+, celui-ci permettant de renseigner en outre la capacité de la phase à réapprovisionner la solution de sol lors de l’absorption racinaire. Nous avons également recherché des modèles pour la prédiction des teneurs en Cd2+ retrouvées dans les grains de blé dur. Nous avons développé deux approches de modélisation. La première, statistique, permet de produire des modèles simples à visée opérationnelle. La seconde, géochimique, permet de comprendre les mécanismes dominants et donc de juger de la cohérence de modèles statistiques simples pour représenter des processus physico-chimiques complexes. Ces deux approches ont montré de manière cohérente que pour les sols agricoles faiblement contaminés, le Cd qui s’échange entre la phase solide et la solution est vraisemblablement sorbé faiblement et peut-être estimé par le Cd extrait par NH4NO3 1 M minoré par une fraction fixée à des oxydes de manganèse. Les modélisations ont également montré l’importance du pH et de la teneur en Ca en solution comme variables contrôlant la solubilité de Cd2+, probablement en raison de leur rôle à régir la disponibilité des sites de sorption et de complexation vis-à-vis du Cd. Le modèle statistique le plus performant pour prédire la teneur en Cd dans le grain de blé dur reprend également ces variables, suggérant ainsi que les modèles statistiques simples de prédiction de la spéciation en solution et de partitionnement sol-solution du Cd sont des modèles pertinents pour estimer la biodisponibilité et qu’ils peuvent permettre de classer des sols en fonction des risques de transfert du Cd du sol vers une culture. Par rapport à l’évolution du contexte réglementaire, le modèle statistique prédictif de la teneur en Cd dans le grain a montré par validation croisée qu’il pourrait discerner de façon assez fiable (88 %) des différences de 0.05 mg Cd.kg-1 de grain et que sa fiabilité serait moindre (65 %) pour des différences de 0.025 mg Cd.kg-1.

Cadmium (Cd) is a trace element found in agricultural soils which can contaminate the food chain by being taken up by plants and accumulated in consumed plant products. The bioavailability of Cd is a concept at the centre of the risk assessment of Cd transfer from soil to plants. Plants, taking up essentially the free form of Cd (Cd2+) in the soil solution, bioavailability is a function of two main processes, the Cd speciation in solution (the different chemical forms taken by the Cd in solution) and the partitioning of Cd2+ between the solid phase and the solution. The main objective of this work was to develop simple predictive operational models of Cd2+ concentrations in agricultural soil solution, by modelling either Cd speciation in soil solution or Cd2+ solid-solution partitioning, the latter to further inform the ability of the phase to replenish the soil solution during root absorption. We also looked for models for the prediction of Cd2+ levels found in durum wheat grains. We have developed two modelling approaches. The first, statistical, allows to produce simple models for operational purposes. The second, geochemical, allows to understand the dominant mechanisms and thus to judge the coherence of simple statistical models to represent complex physicochemical processes. These two approaches have consistently shown that for poorly contaminated agricultural soils, the exchanged Cd between the solid phase and the solution is likely to be weakly sorbed and can be estimated by the Cd extracted by 1M NH4NO3 minus a fraction attached to amorphous manganese oxides. Modelling also showed the importance of pH and Ca content in solution as variables controlling the solubility of Cd2+, probably because of their role in controlling the sorption site availability and Cd complexation. The best-performing statistical model for predicting Cd content in durum wheat also picks up these variables, suggesting that simple statistical models for speciation in solution and soil-solution partitioning of Cd are relevant models to estimate bioavailability and that they can be used to classify soils according to the risks of the transfer of soil Cd to a crop. Compared to the evolution of the regulatory context, the statistical model predictive of the Cd content in the grain shown by cross validation that it could discern relatively reliably (88%) the differences of 0.05 mg Cd.kg-1 of grain and that its reliability would be less (65%) for differences of 0.025 mg Cd.kg-1.