# Impact des flux d'eau sur la biogéographie du 2,4-D et des microorganismes dégradants dans le sol : une étude en microcosmes

Marc Pinheiro, Franziska Ditterich, Holger Pagel, Christian Poll, Patricia

Garnier, Thilo Streck, Ellen Kandeler, Laure Vieublé

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Marc Pinheiro, Franziska Ditterich, Holger Pagel, Christian Poll, Patricia Garnier, et al. Impact des flux d'eau sur la biogéographie du 2,4-D et des microorganismes dégradants dans le sol: une étude en microcosmes. 45e Congrès du Groupe Français des Pesticides Devenir et impact des pesticides: verrous à lever et nouveaux enjeux, Groupe Français des Pesticides (GFP). FRA., May 2015, Versailles, France. hal-01579979

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# Impact des transferts par diffusion et convection sur la distribution spatiale du 2,4-D, des microorganismes du sol et leurs activités de dégradation à une échelle mm

Pinheiro Marc<sup>(1)</sup>, Ditterich Franziska<sup>(2)</sup>, Pagel Holger<sup>(3)</sup>, Poll Christian<sup>(2)</sup>, Garnier Patricia<sup>(1)</sup>, Streck Thilo<sup>(3)</sup>, Kandeler Ellen<sup>(2)</sup>, <u>Vieublé Gonod Laure<sup>(4)</sup></u>

## I Introduction

Le devenir des pesticides dans les sols est contrôlé par les processus qui se déroulent à micro-échelle (Vieublé Gonod et al, 2006). Si les pesticides et les microorganismes ne sont pas co-localisés dans le même micro-environnement, l'accessibilité du pesticide aux microorganismes sera essentiellement contrôlée par les processus de transfert (Pinheiro et al, 2015). Ainsi la dégradation microbienne est fortement dépendante des transports de pesticides par diffusion et convection vers les microorganismes (Howard, 1991; Or et al, 2007). et des mouvements microbiens vers les pesticides (Pallud et al, 2004 ; Dechesne et al, 2010).

Les objectifs de ces travaux étaient d'étudier l'impact des flux d'eau par diffusion et convection sur le devenir du 2,4-D et de ses dégradants en 3D à une échelle mm en considérant différentes distributions spatiales initiales de l'herbicide et des microorganismes.

## II Matériels et méthodes

Pour répondre à ces objectifs, nous avons prélevé du sol dans l'horizon de surface d'un luvisol cultivé (Versailles, France) en mars 2011 à partir duquel nous avons isolé les agrégats de 2 à 3.15 mm de diamètre. Nous avons construit des colonnes de sol (3 × 5 cm) à partir d'agrégrats naturels stérilisés ou non et dans lesquelles nous avons contrôlé la distribution spatiale initiale du 2,4-D et des microorganismes du sol (Fig. 1).

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Fig. 1: Distributions spatiales initiales des microorganismes et du 2,4-D dans les colonnes de sol</figcaption></figure>

Nous avons testé 3 distributions spatiales initiales : i) une distribution homogène du pesticide et des microorganismes dans toute la colonne de sol, ii) une co-localisation du 2,4-D et des microorganismes dans un cube de sol de 6 × 6 × 10 mm à la surface des colonnes et iii) une localisation disjointe du pesticide et des microorganismes dans des cubes de sol (6 × 6 × 10 mm) séparés de 1 cm. Des colonnes témoins avec seulement du 2,4-D ou des microorganismes ont également été construites. Les

<footnote><sup>(1)</sup> INRA, UMR Ecologie fonctionnelle et Ecotoxicologie des agroécosystèmes, INRA-AgroParisTech, 78850 Thiverval-Grignon, France</footnote>

<footnote><sup>(2)</sup> Institute of Soil Science and Land Evaluation, Soil Biology Section, University of Hohenheim, Stuttgart, Germany;</footnote>

<footnote><sup>(3)</sup> Institute of Soil Science and Land Evaluation, Biogeophysics Section, University of Hohenheim, Stuttgart, Germany</footnote>

<footnote><sup>(4)</sup> AgroParisTech, UMR Ecologie fonctionnelle et Ecotoxicologie des agroécosystèmes, INRA-AgroParisTech 78850 Thiverval-Grignon, France</footnote>
colonnes de sol ont été préparées progressivement couches par couches et compactées au fur et à mesure pour atteindre une densité finale de 1.3.

Deux séries d'expérimentations ont été menées en parallèle : l'une avec du 14C-2,4-D pour suivre spécifiquement le devenir du 2,4-D dans le sol et l'autre avec du 12C-2,4-D pour l'étude de la dynamique des dégradants. Les microcosmes ont été incubés à 20°C à un potentiel matriciel de -31.6 kPa. Une solution de CaCl2 (0.01 M) a été apportée pour simuler des évènements pluvieux à T0, T3 et T6 jours. La quantité totale d'eau apportée correspondait à 2 fois le volume poral.

A l'échelle de la colonne de sol, nous avons suivi la minéralisation du 2,4-D au cours du temps et quantifié la radioactivité perdue dans les percolats. Après 24 jours, les colonnes de sol ont été découpées en tranches de sol puis en cubes de sols de 6×6×10 mm. Les cubes de sol ont été analysés indépendamment les uns des autres pour quantifier les résidus 14C extractibles et non extractibles et les dégradants (PCR quantitative des gènes tfdA). Connaissant la localisation initiale des cubes les uns par rapport aux autres, nous avons pu reconstituer des cartes en 3D des résidus de 2,4-D et des dégradants.

### III Résultats-Discussion

Les résultats ont montré que la radioactivité récupérée dans les percolats après les 3 évènements pluvieux était similaire quelle que soit la distribution spatiale initiale des microorganismes et du 2,4-D et représentait plus de la moitié de la radioactivité apportée (Fig. 2). Le devenir du 2,4-D persistant dans le sol était en revanche principalement controlé par la distribution spatiale du 2,4-D et des microorganismes dans le sol (Fig. 2).

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Fig. 2 : Devenir du 14C-2,4-D à l'échelle des colonnes de sol pour les différentes distributions initiales des microorganismes et du 2,4-D</figcaption></figure>

Les résultats obtenus à une échelle mm ont montré que la biodégradation se déroulait dans des volumes de sol plus ou moins importants et que le transport convectif favorisait le contact entre 2,4-D et microorganismes et donc la biodégradation du 2,4-D pour des distributions hétérogènes.

Enfin, la production et la localisation des résidus non extractibles étaient principalement dues à l'activité microbienne (Fig. 3).
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Fig. 3 : Distribution spatiale à l'échelle mm des résidus 14C non extractibles (en % du 14C-2,4-D apporté)</figcaption></figure>

## IV Conclusion

Ces travaux ont montré que les transferts d'eau et les distributions initiales deu 2,4-D et des microorganismes dégradants controllaient le transport et le devenir du 2,4-D et des microorganismes dans les sols à une échelle mm et soulignent l'importance de considérer la biogéographie microbienne et les processus biogéophysiques qui se déroulent à une échelle mm pour mieux comprendre le devenir des pesticides dans les sols à une échelle supérieure.

## V Références

Dechesne, A., Owsianiak, M., Bazire, A., Grundmann, G.L., Binning, P.J., Smets, B.F., 2010. Biodegradation in a partially saturated sand matrix: compounding effects of water content, bacterial spatial distribution, and motility. Environmental Science & Technology 44, 2386-2392.

Pallud, C., Dechesne, A., Gaudet, J.P., Debouzie, D., Grundmann, G.L., 2004. Modification of spatial distribution of 2,4-dichloro-phenoxyacetic acid degrader microhabitats during growth in soil columns. Applied and Environmental Microbiology 70, 2709-2716.

Pinheiro, M., Garnier, P., Beguet, J., Martin Laurent, F., Vieublé Gonod, L. (2015). The millimetre-scale distribution of 2,4-D and its degraders drives the fate of 2,4-D at the soil core scale. Soil Biology & Biochemistry. 88, 90-100.

Vieublé Gonod, L., Chadoeuf, J., Chenu, C., 2006. Spatial distribution of microbial 2,4-dichlorophenoxy acetic acid mineralization from field to microhabitat scales. Soil Science Society of America Journal 70, 64-71.

Mots-clés : herbicide, spatial heterogeneity, biodegradation, biogenic and abiotic non-extractable residues, diffusion and convection transport, mm and cm-scale, tfdA genes