Volatilisation des pesticides depuis les plantes : approche expérimentale et modélisation

Pesticide volatilization from plants : experimental approach and modelling

• Auteur / Autrice : Nebila Lichiheb
• Direction : Enrique Barriuso
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 08/10/2014
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnement et Grandes Cultures
• Jury : Président / Présidente : Thierry Doré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Enrique Barriuso, Laurence Galsomiès, Erik Van der Berg, Erwan Personne, Carole Bedos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Wortham, Matthias Beekman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atmosphère -- Pollution par les pesticides

Pesticides -- Aspect environnemental

Mots clés libres

Pollution atmosphèrique

Pesticide

Volatilisation

Pénétration foliaire

Photodégradation

Modélisation

Atmospheric pollution

Pesticide

Volatilization

Leaf penetration

Photodegradation

Modelling

Résumé

L’activité agricole présente la principale source de contamination de l’atmosphère par les pesticides. Les niveaux de concentration des pesticides dans l’atmosphère méritent une attention particulière de la part de la recherche compte tenu de leurs impacts potentiels sur la population et les écosystèmes. Bien que la volatilisation depuis la plante soit reconnue plus intense et plus rapide que la volatilisation depuis le sol, cette voie de transfert est à ce jour la moins bien renseignée avec peu de modèles disponibles pour sa description. Le manque de connaissances est lié essentiellement à la complexité des interactions entre les processus ayant lieu à la surface de la feuille et qui sont en compétition avec la volatilisation, notamment la pénétration foliaire et la photodégradation. Un système de chambre de volatilisation a été développé afin d’étudier d’une manière simultanée les processus de volatilisation et de pénétration foliaire. Les expérimentations réalisées avec 3 fongicides (époxyconazole, chlorothalonil et fenpropidine) appliqués sur feuilles de blé ont permis une description affinée du processus de pénétration foliaire grâce au protocole d’extraction des feuilles mis en place. Des coefficients de pénétration indispensables à la modélisation du devenir des pesticides à la surface des feuilles ont été calculés ainsi que des relations entre les propriétés physico-chimiques des pesticides et les processus qui contrôlent leur distribution sur et dans la feuille. L’étude expérimentale portant sur le processus de photodégradation a consisté en une irradiation de films de cire simulant les feuilles de blé traités avec des pesticides dans un simulateur solaire Suntest. Les résultats ont démontré que les pertes par photodégradation sont négligeables dans les conditions expérimentales et les pesticides choisis. Le modèle d’échange Sol-Végétation-Atmosphère SURFATM a été adapté aux pesticides selon une approche inspirée du modèle PEARL avec dans un premier temps des coefficients empiriques des processus de pénétration et de photodégradation. L’originalité de ce modèle réside dans sa description mécaniste des conditions micro-météorologiques à l’intérieur du couvert végétal. Ensuite, une approche de distribution des résidus de pesticides dans différents compartiments de la surface foliaire a été définie en se basant sur les résultats expérimentaux, permettant ainsi de prédire la fraction disponible à la volatilisation. La combinaison de cette approche avec les relations déduites entre les propriétés physico-chimiques des pesticides et le processus de pénétration foliaire améliore la généricité du modèle. Par ailleurs, l’effet de la formulation observé expérimentalement a été intégré via des coefficients empiriques permettant ainsi de mieux simuler les flux de volatilisation des produits systémiques. La comparaison entreles sorties du modèles et les résultats expérimentaux recueillis à partir de deux jeux de données acquis sur deux sites différents donne des résultats satisfaisants. Une fois activée la volatilisation depuis le sol, le modèle SURFATM-Pesticides permettra de prédire les émissions vers l’atmosphère de pesticides par volatilisation depuis les parcelles traitées.

The agricultural activity presents the main source of the atmospheric contamination by pesticides. The occurrence of pesticides in the atmosphere concerns the research community due to their potential impacts on population and ecosystems. The volatilization from plants is higher and faster than the volatilization from soil. However, this transfer pathway is difficult to assess with few available models. The lack of knowledge on pesticide volatilization from plants is essentially linked to the complex interactions between processes occurring at the leaf surface and competing with volatilization, such as leaf penetration and photodegradation. A laboratory volatilization chamber was developed in order to study simultaneously the processes of volatilization and leaf penetration of 3 fungicides (epoxyconazole, chlorothalonil and fenpropidine) applied on wheat leaves. These experimentations allowed a refined description of leaf penetration process using a well-defined sequential extraction procedure of leaves. Leaf penetration coefficients, which are necessary to modelling the pesticide fate in plants, were calculated. Moreover relationships between physicochemical properties of pesticides and processes regulating their distribution on and in plant leaves were identified. The experimental study on the photodegradation process consisted in irradiating wax films using simulated solarlight. The results showed that for experimental conditions and pesticides chosen in our study, photodegradation seems to have played a minor role as dissipation process.The soil-vegetation-atmosphere exchange model SURFATM was adapted for pesticides using an approach inspired from the parameterization developed in the PEARL model. The originality of this model resides in its mechanistic description of the micro-meteorological conditions inside the canopy. As a first step the SURFATM-Pesticides model describes leaf penetration and photodegradation processes using empirical coefficients. Then a distribution of pesticide residues in the different compartments of the leaf surface was identified based on the experimental results. This approach allowed the quantification of pesticide fraction on the leaf surface available for volatilization. The combination of this compartmental approach and the identified relationships between physicochemical properties of pesticides and the leaf penetration process improves the genericity of the model. Moreover, the effect of the pesticide formulation in the commercial preparations was integrated in the model via empirical coefficients allowing a better simulation of the volatilization fluxes in the case of systemic pesticides. Comparison of model results and experimental measurements collected from two datasets showed satisfactory results. Once the contribution of soil volatilization has been activated, the SURFATM-Pesticides model will allow us to predict the overall pesticide volatilization at the field scale.