Développement des connaissances sur les quantités de microplastiques présents dans les sols agricoles
Acronyme : PLASTIMPACT (GRAINE 2023)
Programme : GRAINE (Phase 2) - Production, valorisation des biomasses et préservation des écosystèmes 
Mots-clés : Sols / Agriculture / Forêt
Contexte : Les plastiques agricoles sont utilisés dans la filière légumière pour le paillage de nombreuses cultures, que ce soit sous abris (ex. tomate, salade) ou en plein champ (ex. courges, melons, échalotes). Ces plastiques, en limitant l’enherbement, permettent la baisse de l’utilisation de produits phytosanitaires tout en limitant fortement le temps de travail par sarclage manuel ou mécanique. Par ailleurs, les changements climatiques observés ces dernières années (risque gélif plus marqué, été plus chaud, hiver plus humide) contraignent de plus en plus les producteurs. L’utilisation de paillage plastique sécurise bien souvent l’itinéraire cultural (ex. économie d’eau, réchauffement du sol). D’un point de vue chimique, la majorité de ces plastiques sont à base de polyéthylène (PE), plastique issu de la pétrochimie et donc de ressources non renouvelables. Bien que ces déchets puissent être collectés par ADIVALOR après culture pour recyclage, une part non négligeable de ces déchets sont incinérés ou enfouis. Le développement de l’agriculture biologique (AB), la pression sociétale visant à une réduction d’utilisation de produits phytosanitaires, les difficultés et la hausse des tarifs du recyclage, conjuguées à l’absence de collecte pour certains matériaux plastiques, poussent les producteurs légumiers français à se tourner de plus en plus vers l’utilisation de matériaux plastiques biodégradables pour pailler leurs cultures. Suivant les années, 4 000 à 5 000 ha en France sont ainsi cultivés avec des films biodégradables (environ un quart de l’ensemble des cultures européennes de ce type) pour un tonnage compris entre 1600 et 1800 t. Ces matériaux biodégradables sont soumis à des exigences normatives en matière de composition et de tests d’écotoxicité : la norme NF U52-001 de biodégradabilité, la norme EN 13432 de compostabilité (adaptée aux matériaux de palissage) et plus récemment la norme EN 17033 applicable aux films de paillage. Dans ce contexte réglementaire, les acteurs de la filière se questionnent sur l'évolution et l’écotoxicité des polymères déjà enfouis dans les sols (ex. oxodégradables) et des futurs produits mis sur le marché. Depuis 2010, l’omniprésence de microplastiques (MP) et de nanoplastiques (NP) dans les sols agricoles est devenu un enjeu scientifique majeur. En effet, des études scientifiques ont mis en évidence l'impact de ces MP et NP sur la matrice sol, ainsi que sur les êtres vivants associés. C’est tout particulièrement le cas des plantes, pour lesquelles plusieurs études ont mis en évidence la capacité de ces organismes à absorber via le réseau racinaire les NP/MP, mais aussi à les transférer en direction des parties aériennes (Li et al., 2020). Les conséquences physiologiques de l’exposition des végétaux commencent également à être étudiées (ex. Impact sur la croissance et du développement des plantes). Il est nécessaire d’évaluer les risques que posent les NP/MP sur l’agriculture moderne et la santé environnementale/humaine/plantes. Une première expérimentation (projet AGRICE, ADEME) a été mise en place à la Station Expérimentale de Bretagne Sud de 2001 à 2005 pour quantifier l’accumulation de résidus de polymères dans les sols. Un second projet nommé BIOMALEG (financement GRAINE de 2021 à 2023) a mis en évidence le pattern de dégradation en conditions réelles (plantation de potimarrons) à deux échelles de temps pour les particules comprises entre 500 et 5 000 µm (microplastiques) et supérieurs. Il a également permis d’étudier les conséquences de la pratique du paillage agricole sur les communautés microbiennes des sols. Enfin, il a permis d’en étudier les conséquences sur la croissance de plantes, ainsi que sur la diversité des vers de terre. Les résultats issus de ce projet sont prometteurs et indique un impact faible de l'utilisation de ces films biodégradables. Néanmoins certaines limites dans les connaissances acquises, ainsi que dans les perspectives d’analyse sont apparues et nécessite d’approfondir ces premiers résultats.
Description : Dans un contexte mondial de pollution et dégradation de la santé des sols par les plastiques, la communauté scientifique s’intéresse particulièrement aux problématiques liées aux microplastiques (MP) et nanoplastiques (NP) en contexte agricole, qui peuvent avoir un impact à la fois sur l’environnement, des plantes et de la santé humaine. Le projet PLASTIMPACT se situe dans cette dynamique en proposant une approche intégrative et innovante tant par les problématiques abordées que par les techniques et protocoles mis en œuvre. Le projet souhaite aider à mieux comprendre i) le devenir des microplastiques dans le contexte de la plasticulture (ex. paillage des sols) ii) les conséquences la présence de micro et nanoplastiques dans les sols agricoles sur les plantes qui y poussent ; et enfin iii) obtenir des connaissances sur les abondances et fonctions des organismes qui y vivent afin d’assurer la durabilité des systèmes de production agricole. L’axe de travail n°1 apportera des réponses concernant la dégradation des polymères biodégradables et conventionnels en sol agricole en se focalisant sur le devenir et l’évolution des particules les plus petites (de quelques centaines de microns à potentiellement des tailles de l’ordre de 100 nm) qui sont actuellement moins bien connues. Le projet se situera en continuité de BIOMALEG, avec ce focus sur les particules de petite taille avec des approches et techniques différentes en raison de la faible taille des particules étudiées. Les résultats obtenus contribueront à mieux comprendre le processus de dégradation et le devenir des paillages plastiques. Il apportera également des connaissances fondamentales pour les études écotoxicologiques qui manquent de données pour calibrer les doses d’exposition aux MP/NP et sur les abondances en MP/NP en fonction de la gamme de taille, données qui serviront à l’axe de recherche n°2 du projet. En effet, l’axe 2 qui s’intéresse à l’absorption de MP/NP par les plantes montre une littérature limitée à un nombre relativement faible d’espèces. Le projet étendra les connaissances sur des espèces à usage alimentaire, en particulier possédant un fort intérêt économique en France. Un des objectifs sera de mieux étudier le devenir et le comportement de ces particules dans les parties entrant directement dans l’alimentation humaine (racines/tubercules, les feuilles et les fruits). Cette approche est novatrice, car elle s’éloigne des conditions contrôlées des tests réalisés en laboratoire pour aller vers des expérimentations in situ en conditions de culture. Ces deux premiers axes de recherche permettront d’identifier espèces végétales candidates sentinelles pouvant servir d’indicateur biologique de contamination des sols par des plastiques. L’axe de recherche n°3 souhaite définir des bio-indicateurs fonctionnels et/ou taxonomiques de capacité de dégradation des microplastiques. En effet, la présence de ces marqueurs dans des sols permettrait d’indiquer le potentiel de dégradation des plastiques par les communautés microbiennes et d’établir un diagnostic prédictif en amont de l’utilisation des films plastiques, illustrant là encore la volonté du projet de disposer d’une visée opérationnelle. Ces trois axes de recherches s’inscrivent parfaitement dans l’AAP GRAINE 2023, en ayant une approche transversale répondant aux axe 1 (1.5) et axe 3 (3.2 & 3.4) du programme GRAINE. Les problématiques des lots 1 & 3 contribueront au sous-axe 3.2 via l’évaluation des impacts environnementaux des paillages plastiques et des amendements contaminés par des (micro)plastiques biodégradables et non biodégradables (biosourcés ou pétrosourcés). Les lots 1 et 2 permettront de mieux comprendre et de prédire le transfert des NP/MP dans la matrice végétale à vocation alimentaire (1.5). Le lot 2 permettra également de dégager de potentielles espèces végétales sentinelles à usage agricole pouvant servir d’indicateur de la contamination voire de la dégradation des sols par les plastiques (ex. paillage, amendement, transfert de microplastiques depuis d’autres matrices environnementales) (3.4).
Objectifs et résultats attendus : Le projet PLASTIMPACT cherchera à répondre à plusieurs questions scientifiques. Le premier axe cherchera à mieux caractériser le devenir dans les sols agricoles des MP inférieurs à 500 µm issus de paillages, ainsi que les NP (WP2 : Devenir des NP et MP). Il permettra notamment d’apporter des connaissances sur la présence et le devenir de MP/NP dans les sols, leurs caractéristiques physico-chimiques et leur transfert dans les plantes associées. Les abondances (exprimées en nombre de particules par kilogramme) des MP/NP seront estimées pour les différentes parcelles étudiées. La seconde partie du projet portera sur le transfert et l’intégration des NP/MP dans des plantes entrant dans l’alimentation humaine (WP3 : Impact des NP et MP dans les plantes). Cet axe de recherche permettra de mieux comprendre la localisation tissulaire des MP/NP en fonction des caractéristiques physico-chimiques de ces derniers et de la plante étudiée. Il permettra également d’aborder la question de la contamination des plantes d’un point de vue dynamique en permettant entre autres de poser la question de leur capacité de dépuration. Ces résultats associés à ceux du lot 1 devraient permettre d’identifier les catégories de fruits et légumes susceptibles de jouer le rôle de vecteur de MP/NP vers l’être humain, et de proposer un modèle permettant d’évaluer ce flux. Le dernier axe cherchera à mieux comprendre les voies métaboliques impliquées dans la dégradation des paillages plastiques par les communautés microbiennes, en particulier la possibilité de définir des dérivés potentiels complexes des NP et MP (WP4 : Voies de dégradation des NP et MP par les micro-organismes). Cet axe de recherche est la suite directe des résultats du projet BIOMALEG ayant décrit les structures des communautés microbiennes des sols. Les analyses ont montré une modification des structures des communautés bactériennes et de champignons dans les sols en contact direct avec les films plastiques. En particulier, il a été observé que des familles bactériennes et de champignons connus comme potentiels dégradateurs de plastique étaient plus présentes en termes de fréquence. Le WP4 du projet PLASTIMPACT s’intéressera aux fonctions portées par les microorganismes du sol. Une analyse métagénomique shotgun sera appliquée sur les échantillons suivi d’un assemblage et d’une prédiction et annotation fonctionnelle. Ces trois principaux axes de recherches s’inscrivent parfaitement dans l’AAP GRAINE 2023 et tout particulièrement dans l’axe 1 (1.5) et l’axe 3 (3.2 & 3.4). Ainsi, les problématiques WP2 & WP4 contribueront au sous-axe 3.2 via l’évaluation des impacts environnementaux des paillages plastiques et des amendements contaminés par des (micro)plastiques biodégradables et non biodégradables (biosourcés ou pétrosourcés). Le WP3 permettra de mieux comprendre et de prédire le transfert des NP/MP dans la matrice végétale à vocation alimentaire (1.5). Les WP2 et 3 permettront également d’identifier de potentielles espèces végétales agricoles sentinelles pouvant servir d’indicateur de la contamination voire de la dégradation des sols par les plastiques quelle qu’en soit la source (ex. paillage, amendement, transfert de microplastiques depuis d’autres matrices environnementales) (3.4). Les résultats du projet et conclusions associés seront mis à disposition de l’ADEME, des scientifiques, des agronomes et du grand public dans le livrable final du projet. Les données seront rendues disponibles et des publications scientifiques dans des journaux scientifiques à comité de lecture si les résultats du projet le permettent.
Bénéficiaire : INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE POUR L'AGRICULTURE L'ALIMENTATION ET L'ENVIRONNEMENT
Localisation : Dijon, Bourgogne-Franche-Comté, FRANCE
Début : 01/01/2025 — Durée : 36 mois
Budget total : 421270.73 € — Aide ADEME : 299978.18 €
Statut : Suivi du projet