Détermination des mécanismes de transfert de pesticides organochlorés vers des cucurbitacées et remédiation de sols contaminés en zone maraîchère

Determination of the transfer mechanisms of organochlorine pesticides to cucurbits and remediation of contaminated agricultural soils in vegetable growing areas

• Auteur / Autrice : Felix Colin
• Direction : Olivier Atteia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies (terre, eau, image)
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Montaigne-Humanités (Pessac, Gironde ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géoressources et Environnement (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Laure Vieublé Gonod
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Atteia, Patrick Höhener, François Laurent, Franck Marot, Grégory Cohen, Philippe Chery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Höhener, François Laurent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépollution biologique de l'environnement

Zones de cultures

Aliments -- Teneur en pesticides

Effets des pesticides

Cucurbitacées

Insecticides organochlorés

Mots clés libres

Pesticides organochlorés

Polluant organique persistant

Dieldrine

LMR

Matière organique naturelle

Techniques de remédiation physico-chimiques

Traitement thermique basse température

Extraction au CO2 supercritique

Cucurbita pepo L

Absorption racinaire

Organochlorine pesticides

Persistent organic pollutant

Dieldrin

MRL

Soil organic matter

Physico-chemical remediation techniques

Low temperature thermal treatment

Supercritical fluid extraction with CO2

Cucurbita pepo L

Root absorption

Résumé

La contamination des sols par des Pesticides OrganoChlorés (POCs) est une problématique mondiale. Ces substances ont largement été utilisées dans l’agriculture en France entre les années 1950 et 1970. Parmi les POCs, on retrouve la dieldrine et les chlordanes qui sont considérées comme des Polluants Organiques Persistants (POPs) depuis la convention de Stockholm en 2001 à cause de (i) leur toxicité, (ii) leur persistance dans l’environnement, (iii) leur capacité à s’accumuler dans les organismes vivants, (iv) leur transport à longue distance. Aujourd’hui encore, les sols agricoles se trouvent contaminés par ces POPs, ce qui engendre une contamination des végétaux, notamment les Cucurbitacées, dont les concentrations dépassent les Limites maximales en résidus (LMR) autorisées, induisant des risques pour les consommateurs. Les objectifs de cette thèse sont de donc (i) caractériser la distribution spatiale de la contamination au sein de la zone d’étude et de comprendre ses liens avec les propriétés physico-chimiques des sols, (ii) tester à l’échelle laboratoire 4 techniques de remédiation physico-chimiques des sols agricoles respectueuses des propriétés agronomiques et (iii) étudier les voies de transferts et de distribution des POCs vers les Cucurbitacées selon les concentrations dans le sol et la croissance des plantes. Les résultats de ces travaux ont permis de mettre en évidence que la dieldrine est le POC majoritairement quantifié dans les sols. La distribution spatiale de ce POC sur la zone d’étude, une zone agricole péri-urbaine de 5 km2, est hétérogène à l’échelle de la zone mais présente une homogénéité à l’échelle des parcelles et la contamination se situe principalement (85%) sur une profondeur de 40 cm. Une corrélation entre la contamination en dieldrine et la teneur en matière organique naturelle des sols a été mise en évidence. Parmi les 4 techniques de remédiation physico-chimiques des sols testées à l’échelle laboratoire, la dégradation au fer zéro valent et l’immobilisation par charbon actif sont très peu efficaces. En revanche, le traitement thermique à basse température (< 100 °C) et l’extraction au CO2 supercritique induisent une diminution de la concentration en dieldrine de 85% en quelques heures sans altérer la qualité agronomique des sols. Ces deux techniques sont donc prometteuses pour le traitement de sols agricoles contaminés en dieldrine mais davantage de validations sont nécessaire pour développer et optimiser ces processus. Enfin, le transfert de la dieldrine vers des Cucurbita pepo L. se fait majoritairement par absorption racinaire et transport vers les parties aériennes des plantes (tiges, feuilles, fleurs et fruits). Les concentrations dans les organes végétatifs augmentent de manière presque linéaire en fonction de l’augmentation de la concentration dans le sol. Pour les organes reproducteurs, cette relation n’est pas linéaire et il semble que lorsqu’un seuil de contamination dans le sol soit atteint, la concentration dans ces organes se stabilise. De plus, le fruit présente une différence de contamination entre ses tissus, avec la peau plus concentrée en dieldrine que la pulpe. Les résultats des expériences montrent également que la distribution de la contamination au sein des organes est primordiale pour le phytomanagement de cette contamination.

Soil contamination by Organochlorine Pesticides (OCPs) is a worldwide problem. These substances were widely used in agriculture in France between the 1950s and 1970s. Among the POCs, Dieldrin and Chlordanes have been considered Persistent Organic Pollutants (POPs) since the Stockholm Convention in 2001 because of (i) their toxicity, (ii) their persistence in the environment, (iii) their ability to accumulate in living organisms, (iv) their long-range transport. Nowadays, agricultural soils are still contaminated by these POPs, which results in the contamination of plants, particularly Cucurbitaceae, with concentrations exceeding the authorised Maximum Residue Limits (MRLs), thus posing risks to consumers. The objectives of this thesis are therefore (i) to characterise the spatial distribution of the contamination within the study area and understand its links with the physico-chemical properties of the soil, (ii) to test on a laboratory scale 4 physico-chemical remediation techniques for agricultural soils that respect agronomic properties and (iii) to study the transfer and distribution pathways of POCs to Cucurbitaceae according to the concentrations in the soil and plant growth. The results of this work showed that Dieldrin is the most quantified POC in the soils. The spatial distribution of this POC in the study area, a peri-urban agricultural zone of 5 km2, is heterogeneous at the scale of the zone but presents a homogeneity at the scale of the plots and the contamination is mainly located (85%) at a depth of 40 cm. A correlation between Dieldrin contamination and the soil organic matter (SOM) content was found. Among the 4 physico-chemical soil remediation techniques tested on a laboratory scale, zero valent iron (ZVI) degradation and activated carbon immobilisation were not very effective. On the other hand, very low-temperature thermal treatment (VLTTT) (< 100 °C) and supercritical fluid extraction (SFE) with CO2 lead to a decrease in Dieldrin concentration of 85% in a few hours without altering the agronomic quality of the soil. These two techniques are therefore promising for the treatment of Dieldrin-contaminated agricultural soils, but more validation are required to develop and optimise these processes. Finally, the transfer of Dieldrin to Cucurbita pepo L. is mainly by root uptake and transport to the aerial parts of the plants (stems, leaves, flowers and fruits). The concentrations in the vegetative organs increase almost linearly with increasing soil concentration. For the reproductive organs, this relationship is not linear and it seems that when a contamination threshold in the soil is reached, the concentration in these organs stabilises. Furthermore, the fruit shows a difference in contamination between its tissues, with the skin being more concentrated in Dieldrin than the flesh. The results of the experiments also show that the distribution of the contamination within the organs is crucial for the phytomanagement of this contamination.