Entre Contamination et Pollution des Sols Agricoles par les Eléments Traces · 2015. 12. 2. ·...

Webinaire AFES, 11 juin 2015

Entre Contamination et Pollutiondes Sols Agricoles par les Eléments Traces

Plaidoyerpour une Evaluation à Long-Terme

du Risque EcotoxicologiqueMatthieu BravinUnité Recyclage et [email protected]

2

Plan

1. Eléments de compréhension

2. Sources et impacts écotoxicologiques

3. Prédiction à long-termede l’accumulation dans les sols

4. Nouveaux paradigmes en écotoxicologie

Webinaire AFES

3

Webinaire AFES

1. Eléments de compréhension

4

Eléments Traceset « Synonymes »Webinaire AFES

1. E

lém

ents

de

com

préh

ensi

on

Hodson (2004) ENPO, 129Hooda (ed.) (2010) Trace elements in soils

Définition qui souffre d’exception,ex. fond pédogéochimique naturellement élevé

Eléments naturellement ubiquistesdans les sols, concentration < 100 mg kg-1

Plus inclusif et approprié que métaux lourds,les ET ne sont ni tous lourds, ni tous des métaux (As)

Plus neutre qu’éléments potentiellement toxiques,dépend de la nature, de la spéciation et de la concentration

5

Contamination vs. PollutionWebinaire AFES

1. E

lém

ents

de

com

préh

ensi

on

Contaminantsubstance présent dans le sol du fait de l'activité humaine

Polluantsubstance présente dans le solet qui est suffisamment (bio)disponiblepour avoir des effets préjudiciablessur les fonctions du sol ou l'utilisation du sol

Un sol contaminén’est pas forcément pollué

6

Concept de BiodisponibilitéWebinaire AFES

1. E

lém

ents

de

com

préh

ensi

on

DisponibilitéEnvironnementale

BiodisponibilitéEnvironnementale

BiodisponibilitéToxicologique

Membrane

Contaminant TOTAL

Phase Solide

Fraction libre

Solution

Absorption

Bio‐Accumulation

EffetToxique

Seuil detoxicité

SOL

ORGANISME

MesuresChimiques

MesuresBiologiques

ISO 17402 (2008)

7

Ecotoxicologie TerrestreWebinaire AFES

1. E

lém

ents

de

com

préh

ensi

on

D’après INERIS

Concerne l’étude des effets toxiquesdes contaminantssur les organismes vivants du sol

Inclut le devenir des contaminants dans le sol(concentration, spéciation, disponibilité)

Inclut la bioaccumulation des contaminantsessentiellement toxiques pour l’Homme

8

Webinaire AFES

2. Sources et impacts écotoxicologiques

9

Sources d’Eléments TracesWebinaire AFES

2. S

ourc

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pact

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otox

icol

ogiq

ues

Zones Urbaine et Industrielle Zones Rurale et Agricole

Sol

Aquifère

Coursd’eau

Fertilisants min. (P)Résidus organiquesProd. PhytosanitairesAmendements Ca/Mg

ET

Emissions atmosphériques

Résidus organiquesurbains et industriels

Grande diversité de sources

10


2. S

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ues

Forte variabilité des quantités apportéeset des contributions suivant les sources

RO élevage

Dépôtsatmosphériques

RO urbains

Amendementscalco-magnésien

Fertilisantsminéraux

Prod. Phyto.

Belon et al. (2012) STOTEN, 439

Flux moy. ET sols : Zn >> Cu >> Cr > Pb > Ni > As >> Mo > Se > Cd > HgTonnes an-1 15 200 12

Résidus organiques ≥ 50 % apport ET sauf Cd et Se

11


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ues


RO élevage


RO urbains



Prod. Phyto.




Cu, fongicides viticulture et arboriculture

12


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ues


RO élevage


RO urbains



Prod. Phyto.





Pb, activités industrielles

13


2. S

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ues


RO élevage


RO urbains



Prod. Phyto.





Pb, activités industrielles

Cd, Engrais phosphatés

14

Devenir dans les SolsWebinaire AFES

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ETET

ET

Accumulationdans les sols

ET

Contamination des sols

ET

Vieillissement

15


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ETET

ETET

Toxicité vis-à-vis des organismes du sol

ETFertilité

des sols

16


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ETET

ETET

Contamination de la chaîne alimentaire

ET

Transfertssol-plante

Transfertssol-animal

17

Accumulation Progressive dans les SolsWebinaire AFES

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ues

Entrées ET dans les solsgénéralement >> sorties ET

Particulièrement vrai pour Cu et Zn dans solsrecevant des résidus organiques issus de l’élevage

Exportations par récolte < 1% des quantités apportées

Lixiviation < quantités apportées même si potentiellementdu même ordre de grandeur

Pertes par érosion potentiellement (très) importantesmais très dépendantes des conditions de culture

Chassin et al. (1996) EGS, 3-4

18

Mécanisme de ToxicitéWebinaire AFES

2. S

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ues

Milieuintracellulaire

Surface/membraneorganisme

Milieuextracellulaire

Complexation sur les surfaces exposéesde l’organisme (ligand biotique)

Slaveykova et Wilkinson (2005) Environ. Chem., 2Kopittke et al. (2014) Environ. Toxicol. Chem., 33

Effet toxique+

-

+-To

xici

té

Complexation

19

Echelle de ToxicitéWebinaire AFES

2. S

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ues

2 groupes principaux

Toxicité pour organismes du sol < toxicité pour Homme⇒ Tendance à s’accumuler dans la chaîne alimentaire

• As, Cd, Hg, Pb

Toxicité pour organismes du sol > toxicité pour Homme• Exemple de l’échelle de rhizotoxicitéTl = Ag > Cu > Hg = Ni = Ga = Ru = In > Sc = Cd = Gd = La = Co = Cs = Pb > Zn = Al = H > Mn > Ba = Sr > Li > Mg > Ca = Na > K

Kopittke et al. (2011) Environ. Toxicol. Chem., 30

20

Exemple : Cuivredans les Sols ViticolesWebinaire AFES

2. S

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ues

Reconversion du vignoble languedocien

Horizonsurface

Horizonprofond

VigneVitis sp.

CuTraitementfongicide

CuCuCu Cu Cu

Cu CuCu

Blé durTriticum turgidum durum

Reconversiondu vignoble

CuCu Cu Cu

Cu CuCu

80 000 ha

21

Exemple : Cuivredans les Sols ViticolesWebinaire AFES

2. S

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ues

Phytotoxicité de Cu sur blé dur

1 cm

Chlorose ferrique internervaireinduite par Cu

Localisée au niveau de la zonede remplissage du pulvérisateur

ou en ligne suivant l’emplacement des anciens rangs de vignes

Michaud et al. (2007) PLSO, 298

22

Arsenal RéglementaireWebinaire AFES

2. S

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ues

Engrais minéraux et/ou organiquesConcentration dans les engrais

Expertise collective MAFOR (2014)

Ne concerne qu’une petite partie des ETProjet de révision de la directive Boues

avec baisse des concentrations maximales autorisées

23


2. S

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ues

Engrais minéraux et/ou organiquesFlux d’apport au sol

Expertise collective MAFOR (2014)

Flux d’apport réels non vérifiés pour les produits

N’assure pas une absence d’accumulation dans les sols

24


2. S

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ues

Concentration initiale du sollégislation Boues

ETM

Valeurs seuils pour les sols en mg/kg de MS Directive Européenne

86/278/EEC (1986) 6<pH<7

Arrêté du 8 janvier 1998 (pour pH ou

égal à 5)

Projet de révision de la directive européenne (2000)

5<pH<6 6<pH<7 pH>7 Cd 1 à 3 2 0,5 1 1,5 Cr ‐ 150 30 60 100 Cu 50 à 140 100 20 50 100 Hg 1 à 1,5 1 0,1 0,5 1 Ni 30 à 75 50 15 50 70 Pb 50 à 300 100 70 70 100 Zn 150 à 300 300 60 150 200

Certains dépassent naturellement ces seuilsDérogation possible

25


2. S

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ues

Concentration admissibledans les organes consommés des plantes

Journal Officiel CE, 2001

Cd Pb

Céréales et légumineuses 0,1-0,2 0,2Cultures maraîchères 0,05 0,1

mg kg-1 MB

26

ConclusionWebinaire AFES

2. S

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ues

A retenir…Grande diversité de sources et de niveaux d’apport des ET sur les sols

Accumulation progressive des ET dans les sols agricoles

Effet toxique très variable suivant ET

Réglementation limite le risque écotoxicologiquesur le court/moyen terme (< 10 ans)

Incertitude beaucoup plus forte sur le long-terme

27

Webinaire AFES

3. Prédiction à long-termede l’accumulation dans les sols

28

Processus Contrôlant l’AccumulationWebinaire AFES

3. P

rédi

ctio

n à

long

-term

e de

l’ac

cum

ulat

ion

dans

les

sols

Bilan de masse à la parcelleEntrées par:

Résidus organiques (RO)

Engrais minéraux (NPK)

Irrigation (IR)Produits

phytosanitaires (PHY)

Sorties par :

Prélèvement par les végétaux

Lixiviation

29

Limites des travaux récentsWebinaire AFES

3. P

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long

-term

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l’ac

cum

ulat

ion

dans

les

sols

Extrapolation sur le long-terme⇒ Validation rigoureuse des termes du bilan

Tenir compte de l’incertitudedes données d’entrées sur les simulations

Analyser la sensibilitédes paramètres du modèles

Confrontation des profils temporels de concentrationsmesurés et simulés⇒ Nécessite jeux de données conséquents⇒ Rarement fait ou seulement de façon incomplète

Peut être évalué par simulations théoriques

Julich et al. (2012) WASP, 223

30

Validation IncomplèteWebinaire AFES

3. P

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long

-term

e de

l’ac

cum

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ion

dans

les

sols

Uniquement pour certaines équationsEquations transfert sol-plante

de Vries et McLaughlin (2013) STOTEN, 461-462

31


3. P

rédi

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long

-term

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l’ac

cum

ulat

ion

dans

les

sols

Des profils temporels de concentrationValidation limitée à comparaison de flux net d’apport au sol

Validation limitée à une date intermédiaire ou finale

Chen et al. (2013) ENPO, 178

32


3. P

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n à

long

-term

e de

l’ac

cum

ulat

ion

dans

les

sols

Jeux de données dont les concentrationsde tous les ET varient (très) peu

Legind et al. (2012) PLoS ONE, 7

33

Exemplede Validation ComplèteWebinaire AFES

3. P

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-term

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l’ac

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ion

dans

les

sols

Accumulation As dans sol fertilisé avec desengrais phosphatés pendant 150 ans !

Hartley et al. (2013) ENPO, 180

Max

MoyenneMin

34

Nouveaux RésultatsWebinaire AFES

3. P

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long

-term

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cum

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ion

dans

les

sols

Essais du Réseau PRO

Casdar Réseau PRO (2011-2014)SMRA 68 et ARAA

Boues StepMaïs grain (68)• Haut‐Rhin, 0,6 m/an• 15 ans

• 15‐20 tMB/ha/an sur 5 ans

• Néoluvisolfersiallitique pH 6

35


3. P

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n à

long

-term

e de

l’ac

cum

ulat

ion

dans

les

sols


Casdar Réseau PRO (2011-2014)

Boues StepMaïs grain• Haut‐Rhin, 0,6 m/an• 15 ans



Composts élevageMaraîchage (974)• La Réunion, 1,3 m/an• 7 ans

• 30‐60 tMB/ha/an

• Cambisol andiquepH 5,5

36


3. P

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n à

long

-term

e de

l’ac

cum

ulat

ion

dans

les

sols



Boues StepMaïs grain• Haut‐Rhin, 0,6 m/an• 15 ans



Composts élevageMaraîchage• La Réunion, 1,3 m/an• 7 ans

• 30‐60 tMB/ha/an

• Cambisol andiquepH 5,5

Effluents élevagePrairie (974)• La Réunion, 4,5 m/an• 8 ans

• 240‐420 m3/ha/an 20‐35 tMB/ha/an

• Andosol pH 6

37

Nouveaux RésultatsNickelWebinaire AFES

3. P

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dans

les

sols

Pas d’accumulation dans les solsNi sol, mg kg‐1 Ni sol, mg kg‐1

Cycles de culture

Boues Step chauléesFertilisation minérale

25

30

35

40

45

50

25

30

35

40

45

50


38

Nouveaux RésultatsNickelWebinaire AFES

3. P

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long

-term

e de

l’ac

cum

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ion

dans

les

sols

Flux << ambiance géochimique sol


10‐4

Flux, mg Ni m‐2 cycle‐1

10‐2

1

102

104Ambiance géochimique

PRO

Engrais P

Engrais N‐K

ApportsAtmo.

Lixiviation

Plantes

Entrées Sorties

39

Nouveaux RésultatsZincWebinaire AFES

3. P

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long

-term

e de

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cum

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ion

dans

les

sols


Accumulation importante dans les sols

Zn sol, mg kg‐1

200

260

320Compost Lisier PorcsFertilisation minérale

Zn sol, mg kg‐1

200

260

320

Cycles de culture

40

Nouveaux RésultatsZincWebinaire AFES

3. P

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long

-term

e de

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ion

dans

les

sols


Flux résidus organiques >> autres flux

Entrées Sorties

Ambiance géochimique

Flux, mg Zn m‐2 cycle‐1

10‐1

10

103

105

PRO

Engrais minéraux

Phyto

Lixiviation

Plantes

41

Nouveaux RésultatsCuivreWebinaire AFES

3. P

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dans

les

sols


Accumulation modérée dans les sols

Cycles de culture

Cu sol, mg kg‐1

60

70

80

90Compost Fumier Bovins

Cu sol, mg kg‐1

60

70

80

90Non fertilisé

Transportcolloïdale ?

42

Nouveaux RésultatsCuivreWebinaire AFES

3. P

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long

-term

e de

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cum

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ion

dans

les

sols


Flux résidus organiques >> autres flux

Ambiance géochimique

10‐1

Flux, mg Cu m‐2 cycle‐1

1

10

102

103

PRO LixiviationPlantes

Entrées Sorties

43

Exemple d’ApplicationWebinaire AFES

3. P

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long

-term

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dans

les

sols

Prospective territoriale de recyclagede résidus organiques t/ha

Culture Produit DoseCàS Lisier Porc 60CàS Litiere Volaille 8CàS Fiente Pondeuse 8CàS Engrais Synthese13-8-24 0,9

CàS CCLLB 16,5CàS EOMLLB 2CàS EOFVB 4CàS EOBVB 4

Maraîchage Litiere Volaille * 8,0Maraîchage Fiente Pondeuse * 10,0Maraîchage Ecume * 8,0Maraîchage compost_UT4 * 8,0Maraîchage Engrais Synthese13-8-24 0,9

Maraîchage CCLLB ** 17,6Maraîchage EOMLLB 2,5Maraîchage EOFVB 4,5Maraîchage EOBVB 4,5

Casdar GIROVAR (2011-2014)

44

Exemple d’ApplicationWebinaire AFES

3. P

rédi

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long

-term

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cum

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ion

dans

les

sols

Prospective territoriale de recyclagede résidus organiques

Casdar GIROVAR (2011-2014)

0

100

200

300

0 20 40 60 80 100

Moy.Réunion

Maraîch. MPO CCLLB

CàS, MPOengrais synthèse

Concentrations sol [m

g/kg]

années

Zn

45

ConclusionWebinaire AFES

3. P

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long

-term

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cum

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ion

dans

les

sols

A retenir…Bonne connaissance du comportement des ET

permet la prédiction du devenir à l’aide de modèles simples

Transport particulaire/colloïdale encore mal connu⇒ Apport récent des nanosciences

Nécessite des jeux de données conséquentset sur le moyen/long terme pour validation des modèles

Couplage modèles d’accumulationavec évaluation écotoxicologique à faire

46

Webinaire AFES

4. Nouveaux paradigmesen écotoxicologie

47

Webinaire AFES

4. N

ouve

aux

para

digm

es e

n éc

otox

icol

ogie

Evaluation Ecotoxicologique Classique

Principe1 sol non contaminé et naturellement peu riche en ETAjout doses croissantes de sels d’ET, ex. NiCl2Mesure d’un effet toxique, ex. élongation racinaire de l’orge

Smolders (2007)

48

Webinaire AFES

4. N

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aux

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otox

icol

ogie


PrincipeSimulation de l’effet toxique par modélisation

de la complexation des ET sur les surfaces racinaires

Thakali et al. (2006) ES&T, 40

Module « Biotique »Paramétrage constantes

de complexation

49

Webinaire AFES

4. N

ouve

aux

para

digm

es e

n éc

otox

icol

ogie


PrincipeSimulation de l’effet toxique par modélisation

de la complexation des ET sur les surfaces racinaires


Module « Biotique »Paramétrage constantes

de complexation

Module « Abiotique »Détermination/estimation

spéciation ET en solution

50

Webinaire AFES

4. N

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aux

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ogie


PrincipePrédiction des courbes dose-réponse

+

-

+-

Toxi

cité

Elo

ngat

ion

raci

naire

Proportion sites complexés par Ni sur racines orges


EC50

Concentration effective50% effet toxique

51

Webinaire AFES

4. N

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Limites

Contamination artificielle du sol

Contamination

historique

en Cu

Contamination

artificielle

en Cu

Non prise en compte des effets de vieillissement

⇒ Surestimation des effets toxiques

Smolders (2007)

52

Webinaire AFES

4. N

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ogie

Limites

Exposition de l’organisme aux ET du solModélisation de la spéciation ET en solutionBasée sur réactivité Matières Organiques Dissoutes

WHAMNICA-Donnan

Analytical determinationpHMajor cations, anionsTotal metalsDOC

EntréesSorties

FixedReactive Fulvic Acid

FA = DOM x 65%

Model estimationFree Cu2+ activity

Lofts et al. (2013) ENPO, 178

Modèle

53

Webinaire AFES

4. N

ouve

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ogie

Limites

Exposition de l’organisme aux ET du solVariabilité réactivité MOD sols >> eaux naturelles

⇒ Biais dans prédiction spéciation ET dans solution du sol

Bryan et al. (2002) Comp. Biochem. Physiol. C, 133Djae et al. in prep1

10

10065 %

MOD réactive, % FA

Variabilitéréactivité MODdans eaux naturelles

5

7

9

11

135791113

p{C

u2+ }

Pré

dite

sM

OD

Réa

ctiv

e=

65 %

FA

p{Cu2+} Mesurées

R2 = 0.5RMSR = 1.1

54

Webinaire AFES

4. N

ouve

aux

para

digm

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n éc

otox

icol

ogie

Limites


⇒ Biais dans prédiction effet toxique

Djae et al. in prep

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

with

p{C

u2+ }

pre

dict

edfro

m re

activ

e FA

= 6

5 %

with measured p{Cu2+}

FRIED-predicted Toxic Response

55

Webinaire AFES

4. N

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para

digm

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n éc

otox

icol

ogie

Limites



Djae et al. in prep

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

with

p{C

u2+ }

pre

dict

edfro

m re

activ

e FA

= 6

5 %



Potential nitrification

Maize residue mineralization

Glucose-induced respiration

56

Webinaire AFES

4. N

ouve

aux

para

digm

es e

n éc

otox

icol

ogie

Limites



Djae et al. in prep

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

with

p{C

u2+ }

pre

dict

edfro

m re

activ

e FA

= 6

5 %



Folsomia candida reproduction

Eisenia fetida reproduction




57

Webinaire AFES

4. N

ouve

aux

para

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icol

ogie

Limites



Djae et al. in prep

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Barley root elongation

Tomato shoot growth

Folsomia candida reproduction

Eisenia fetida reproduction




with

p{C

u2+ }

pre

dict

edfro

m re

activ

e FA

= 6

5 %



58

Webinaire AFES

4. N

ouve

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n éc

otox

icol

ogie

Limites

Exposition de l’organisme aux ET du solVariabilité réactivité MOD sols exacerbée

par apport de résidus organiques

59

Webinaire AFES

4. N

ouve

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para

digm

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otox

icol

ogie

Limites

Exposition de l’organisme aux ET du solVariabilité réactivité MOD exacerbée dans la rhizosphère

Considérer une réactivité unique des MOD

⇒ Biais importantsur prédiction spéciation des ET en solution

et sur prédiction effet toxique

Djae et al. (2015) Icobte

60

Webinaire AFES

4. N

ouve

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digm

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otox

icol

ogie

LimitesFacteurs confondantspour sols historiquement contaminés

Multi-contamination⇒ Quel(s) ET responsable(s) de l’effet toxique observé ?

Modifications des propriétés physico-chimiques des sols(pH, %MO…)⇒ Quel impact sur l’effet toxique observé par rapport aux ET ?

61

Webinaire AFES

4. N

ouve

aux

para

digm

es e

n éc

otox

icol

ogie


10 résidus organiques

3 doses d’apport

2 sols

Hutte et al. (2013) Ramiran

62

Webinaire AFES

4. N

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0

20

40

60

80

100

120

1 3 9

aa

*b

1 3 9

a

*ab

*b

1 3 9

a a a

Elo

ngat

ion

raci

nair

e re

lativ

e, %

TRO-1 RO-2 RO-3

0

20

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80

100

120

a

a *a

1 3 9

aa

a

1 3 9

a

a

*b

0

1 3 9

Elo

ngat

ion

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lativ

e, %

TRO-1 RO-2 RO-3

Nitisol Cambisol andique


Effet confondant pH sol très fort

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0

20

40

60

80

55,566,577,5

Elo

ngat

ion

raci

nair

e re

lativ

e, %

pCu

NitisolR² = 0,4

Difficile de corréler l’effet toxiqueà la disponibilité d’un ou de plusieurs ET

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Webinaire AFES

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Nouveaux OutilsMesures Biodisponibilité Environnementaleplutôt que Toxicologique

Développement du RHIZOtest pour les plantes

Racines

Sol

Solutionnutritive

ISO 16198 (2015)

Chaque ET mesuré sur plantes entières(parties aériennes et racinaires)

⇒ sensibilité du biotest

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Webinaire AFES

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Nouveaux OutilsMesures Biodisponibilité Environnementaleplutôt que Toxicologique

1 mesure par ETClassement de sols

Classement d’espèces végétales

Tomate, 4 solsAs Cu Zn Cd

Flux

pré

lève

men

t, ng

m-2

s-1

0

0.15

0.3

0.45

0.6

a

ab bbc

bcd

bcdbcd

cde dee

Flux de prélèvement Cd,ng m–2 s–1

ISO 16198 (2015)

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Nouveaux OutilsAutres outils en développement

Mesures sur vers de terre• Sur Aporrectodea caliginosa plutôt que Eisenia fetida• Bioaccumulation globale ou partionnement subcellulaire

Beaumelle et al. (2015) STOTEN, 520

Mesures sur µ-organismes• Biotest sur champignon Trametes versicolor• Approche moléculaire, quantification populations résistantes• Approche au niveau de la communauté, PICT

Blanck (2002) Human Ecol. Risk Assess., 8

Mesures sur escargot• Sur Cantareus aspersus• Bioaccumulation dans les viscères

Pauget et al. (2012) STOTEN, 431

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Webinaire AFES

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Conclusion

A retenir…Travailler sur sols historiquement contaminés

Si spéciation non mesurée, vérifier qualité prédiction

Biodisponibilité environnementaleplus sensible et discriminante qu’effet toxique

Appliquer nouveaux outilssur sols historiquement contaminés

Adapter modèles écotoxicologiquesaux nouveaux outils

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Webinaire AFESConclusion Générale

Problématique ET dans sols agricolesMoyen/long terme

Prédiction accumulation ET dans solConnaissance suffisante mais validation à étoffer

Nouveaux paradigmes en écotoxicologieNouveaux outils sur sols historiquement contaminés

Couplage des deux approchesNécessite des sites expérimentaux moyen/long termeObservatoires SOERE et Réseau PRO

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Webinaire AFESRemerciements

Unité recyclage et risqueE. Doelsch, S. Legros, F. Feder…

Autres unitésUMR ECOSYS, UMR ISPA, IPGP, Lab. PROTEE

BailleursANR, UE-FEDER, Ministère Agriculture, INSU

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Entre Contamination et Pollution des Sols Agricoles par les Eléments Traces · 2015. 12. 2. ·...

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