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Des cinétiques différentes:

100
co-metabolisme
metabolisme

% dégradation du pesticide

90

Métabolisme: cinétique du 1èr ordre,
pesticide est une source de nutriments,
minéralisation complète (pesticide →
C02+NH4).

80
70
60
50
40

Co-métabolisme: cinétique d’ordre 0,
pesticide ni source de C ni source
d’énergie, accumulation de métabolites.

30
20
10
0
0

10

20

30

Temps (jours)

MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Biodégradation accélérée des pesticides: avantage/inconvénient
no application

90

1 application

80

repeated applications

L’application répétée de pesticides
peut conduire à la biodégradation
accélérée des pesticides résultant de
phénomènes
d’adaptation
microbienne.

3
2

70
60
50
40
30

1

20
10
0
0

Herbicide

% mineralisation du pesticide

100

10
Time (days)

20

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Alopecurus myosuroides

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persistance dans le sol.

Temps

Inconvénient : diminue l’efficacité des
pesticides et/ou favorise l’apparition
d’adventices résistantes
Ex: développement de vulpin dans des champs
dans des sols adaptés à la biodégradation
accélérée de l’isoproturon.

MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Adaptation à la biodégradation accélérée des pesticides: cas de
l’atrazine
Pendant environ 40 ans (Brevet USA, 1959) la
dégradation de l’atrazine était connue pour
être co-métabolique (Cytochrome P450 )

La minéralisation de l’atrazine a été
rapportée il y a 20 ans.

Atrazine

atrazine

Deisopropylatrazine (DIA)

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(DEA)

CO2 + NH4
Minéralisation
complète de l’atrazine

Topp et al. 2005 In "Pesticide,
Decontamination and
Detoxification

Deisopropyldeethylatrazine (DIEA)

DEA et DIA sont des métabolites qui
contaminent les ressources en eaux.

Mandelbaum et al.1995 Appl Environ
Microbiol 61: 1451–1457.

MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Voie de minéralisation de l’atrazine: gènes atz et trz
atzA

trzN

Atrazine
chlorohydrolase

atzB
Hydroxyatrazine
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Nocardioides sp. C190
Top et al 2000, Appl Env Microbiol
N-isopropylammelide
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atzC

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atzF
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hydrolase

atzE
allophanate

Biuret
amidohydrolase

atzD

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amidohydrolase

Pseudomonas sp. Strain NRRLB-12227
Karns 1999, Appl. Env. Microbiol

2003 première description d’une voie catabolique mixte trzN, atzB&C chez
Nocardioides sp. 12 (Piutti et al. 2003, FEMS Microbiol Lett). Découverte confirmée en
2004 par Sajjaphan et al. (Arthrobacter aurescens TC1), 2007 Devers et al. FEMS
Microbiol. Lett. et 2008 Udikovic-Kolic J. Appl. Microbiol.

MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Expansion pandémique de populations bactériennes dégradant l’atrazine

Pour revue Udikovic-Kolic et al. 2012 J. Appl. Microbiol. 96: 1175-1189

Des bactéries minéralisant l’atrazine ont été isolées de sol Nord-Américains, Européens,
Asiatiques, Australiens, Sud-Américains et plus récemment d’Afrique du Nord:
les gènes atz sont très conservés (de 97 à 100% similarité), portés par des plasmides,
et trouvés dans des bactéries appartenant à des genres différents.

MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Variabilité spatiale de la minéralisation des pesticides

3
6

3
1

2
6

2
1

1
6

1
1

6

10 m

50

90 m

10 m
40
m

10 m

1

50°13'2
1'' N
02°21'2
8''E

0,4
0,6

60
0,8
1,0
1,2

40

20

Width (m)

4
1

2

4
6

K second traitement

80

14CO

3‐(4‐isopropylphenyl)‐1,1‐dimethylurea

(% initial radioactivity)

k, vitesse de minéralisation

0
0

20

40

60

80

100

5
Length
Time (days) (m)

Le Souich (France)

Variabilité spatiale de la minéralisation de
l’IPU (k) similaire à celle du pH,
Mettant en évidence l’influence de
paramètres
physicochimiques
sur
l’expression du potentiel d’attenuation d’un
sol

pH du sol

variations spatiales du pH

6,6
6,8
7,0
7,2
7,4
7,6

50

40

30

20

10

0
80

70

60

50

40

30

20

10

0

El Sebai et al. 2004 FEMS Microbiol. Lett. 239:103-110; El Sebai et al. 2005 Agr Sust Dev 25:271-277
El Sebai et al. Env. Poll. 2007 145:680-690

MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Modélisation de la variabilité spatiale de la minéralisation de
l’isoproturon

Hussain et al. 2013 Chemosphere 90 : 2499-2511

un modèle simple permet de prédire la vitessse de minéralisation (µm) de
l’isoproturon en fonction de l’humidité équivalente et du pH du sol représentant
jusqu’à 85% de la variabilité observée.

MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Fonction ecosystémique ‘filtre’ des sols arables: atténuation
naturelle
Application d’intrants
-Effet ecotoxicologique
-Effet adaptatif
-Adaptation à la biodégradation accélérée des intrants
 Atténuation naturelle de la contamination des
ressources naturelles par des composés
xénobiotiques
Ingénierie écologique  amélioration fonction filtre
-Traitement des effluents phytosanitaires (dispositif réglementaire ‘Biobed’)
-Traitement de pollution ponctuelle : bioremédiation (biostimulation, bioaugmentation)
-Aménagement du paysage: zone tampon favorisant l’atténuation naturelle

MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
Merci pour votre attention

MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
w w w . r e n c o n t r e s ‐ q u a l i m e d i t e r r a n e e . f r

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La dégradation des xénobiotiques (pesticides, antibiotiques) dans le sol : point sur les mécanismes d’adaptation des microorganismes à la dégradation des pesticides. Optimiser le potentiel épurateur et protecteur du sol.

  • 1. Sûreté alimentaire Quelles innovations pour la maîtrise des contaminants et l'authentification des produits agricoles et alimentaires ? > 13 & 14 novembre 2013 > Montpellier SupAgro INRA www.rencontres-qualimediterranee.fr
  • 2. La dégradation des xénobiotiques (pesticides, antibiotiques) dans le sol : point sur les mécanismes d’adaptation des microorganismes à la dégradation des pesticides MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 3. Fonctions écosystémiques des sols agricoles Effet sur la qualité de l’air Intrants chimiques et organiques N22O N (GES) O Effet sur la qualité du sol Effet sur la qualité de l’eau (nitrate, MO, pesticide) Effet sur le fonctionnement des cycles C/N Cycle de l’N Cycle du C MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 4. Processus impliqués dans la dispersion des intrants: fonction filtre des sols agricoles VOLATILISATION ABSORPTION RUISSELLEMENT LESSIVAGE Adsorption Phase solide Phase liquide Eau de surface (RÉTENTION) Désorption DÉGRADATIONS minéralisation Eaux souterraines 4 MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 5. La biodégradation des pesticides Rappels…  dans les sols, la dégradation des pesticides est majoritairement contrôlée par des microorganismes,  deux voies principales sont décrites : (a) le co-métabolisme (biotransformation, «dégradation gratuite») et (b) le métabolisme (biodégradation) Des cinétiques différentes: 100 co-metabolisme metabolisme % dégradation du pesticide 90 Métabolisme: cinétique du 1èr ordre, pesticide est une source de nutriments, minéralisation complète (pesticide → C02+NH4). 80 70 60 50 40 Co-métabolisme: cinétique d’ordre 0, pesticide ni source de C ni source d’énergie, accumulation de métabolites. 30 20 10 0 0 10 20 30 Temps (jours) MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 6. Biodégradation accélérée des pesticides: avantage/inconvénient no application 90 1 application 80 repeated applications L’application répétée de pesticides peut conduire à la biodégradation accélérée des pesticides résultant de phénomènes d’adaptation microbienne. 3 2 70 60 50 40 30 1 20 10 0 0 Herbicide % mineralisation du pesticide 100 10 Time (days) 20 30 Alopecurus myosuroides Avantage : diminue la persistance dans le sol. Temps Inconvénient : diminue l’efficacité des pesticides et/ou favorise l’apparition d’adventices résistantes Ex: développement de vulpin dans des champs dans des sols adaptés à la biodégradation accélérée de l’isoproturon. MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 7. Adaptation à la biodégradation accélérée des pesticides: cas de l’atrazine Pendant environ 40 ans (Brevet USA, 1959) la dégradation de l’atrazine était connue pour être co-métabolique (Cytochrome P450 ) La minéralisation de l’atrazine a été rapportée il y a 20 ans. Atrazine atrazine Deisopropylatrazine (DIA) Deethylatrazine (DEA) CO2 + NH4 Minéralisation complète de l’atrazine Topp et al. 2005 In "Pesticide, Decontamination and Detoxification Deisopropyldeethylatrazine (DIEA) DEA et DIA sont des métabolites qui contaminent les ressources en eaux. Mandelbaum et al.1995 Appl Environ Microbiol 61: 1451–1457. MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 8. Voie de minéralisation de l’atrazine: gènes atz et trz atzA trzN Atrazine chlorohydrolase atzB Hydroxyatrazine ethylaminohydrolase Nocardioides sp. C190 Top et al 2000, Appl Env Microbiol N-isopropylammelide isopropylaminohydrolase atzC O atzF Allophanate hydrolase atzE allophanate Biuret amidohydrolase atzD trzD Cyanuric acid amidohydrolase Pseudomonas sp. Strain NRRLB-12227 Karns 1999, Appl. Env. Microbiol 2003 première description d’une voie catabolique mixte trzN, atzB&C chez Nocardioides sp. 12 (Piutti et al. 2003, FEMS Microbiol Lett). Découverte confirmée en 2004 par Sajjaphan et al. (Arthrobacter aurescens TC1), 2007 Devers et al. FEMS Microbiol. Lett. et 2008 Udikovic-Kolic J. Appl. Microbiol. MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 9. Expansion pandémique de populations bactériennes dégradant l’atrazine Pour revue Udikovic-Kolic et al. 2012 J. Appl. Microbiol. 96: 1175-1189 Des bactéries minéralisant l’atrazine ont été isolées de sol Nord-Américains, Européens, Asiatiques, Australiens, Sud-Américains et plus récemment d’Afrique du Nord: les gènes atz sont très conservés (de 97 à 100% similarité), portés par des plasmides, et trouvés dans des bactéries appartenant à des genres différents. MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 10. Variabilité spatiale de la minéralisation des pesticides 3 6 3 1 2 6 2 1 1 6 1 1 6 10 m 50 90 m 10 m 40 m 10 m 1 50°13'2 1'' N 02°21'2 8''E 0,4 0,6 60 0,8 1,0 1,2 40 20 Width (m) 4 1 2 4 6 K second traitement 80 14CO 3‐(4‐isopropylphenyl)‐1,1‐dimethylurea (% initial radioactivity) k, vitesse de minéralisation 0 0 20 40 60 80 100 5 Length Time (days) (m) Le Souich (France) Variabilité spatiale de la minéralisation de l’IPU (k) similaire à celle du pH, Mettant en évidence l’influence de paramètres physicochimiques sur l’expression du potentiel d’attenuation d’un sol pH du sol variations spatiales du pH 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 50 40 30 20 10 0 80 70 60 50 40 30 20 10 0 El Sebai et al. 2004 FEMS Microbiol. Lett. 239:103-110; El Sebai et al. 2005 Agr Sust Dev 25:271-277 El Sebai et al. Env. Poll. 2007 145:680-690 MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 11. Modélisation de la variabilité spatiale de la minéralisation de l’isoproturon Hussain et al. 2013 Chemosphere 90 : 2499-2511 un modèle simple permet de prédire la vitessse de minéralisation (µm) de l’isoproturon en fonction de l’humidité équivalente et du pH du sol représentant jusqu’à 85% de la variabilité observée. MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 12. Fonction ecosystémique ‘filtre’ des sols arables: atténuation naturelle Application d’intrants -Effet ecotoxicologique -Effet adaptatif -Adaptation à la biodégradation accélérée des intrants  Atténuation naturelle de la contamination des ressources naturelles par des composés xénobiotiques Ingénierie écologique  amélioration fonction filtre -Traitement des effluents phytosanitaires (dispositif réglementaire ‘Biobed’) -Traitement de pollution ponctuelle : bioremédiation (biostimulation, bioaugmentation) -Aménagement du paysage: zone tampon favorisant l’atténuation naturelle MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 13. Merci pour votre attention MARTIN-LAURENT Fabrice/ UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 14. w w w . r e n c o n t r e s ‐ q u a l i m e d i t e r r a n e e . f r