SOMMAIRE CHAPITRE II
2. DISSIPATION (EN CONDITION STATIQUE) DE CINQ HERBICIDES DANS DEUX TYPES DE SOLS
2.1 Matériels et méthodes
Les phénomènes de sorption ont été évalués à deux températures (25 et 37°C) alors que la dissipation n’a été étudiée qu’à 37°C. Les expérimentations ont été réalisées en réacteurs statiques, suivant des protocoles standards.
2.1.1. Les sols étudiés
Les sols ont été prélevés en mars 2001 sur la profondeur de 0-25 cm. Les prélèvements ont été réalisés de façon à échantillonner une surface d’environ 1000 m2. Ils ont ensuite été séchés à l’air, tamisés (5 mm) et conservés au frais (15°C), de façon étanche et à l’abri de la lumière. Leurs principales caractéristiques chimiques ont été déterminées au laboratoire des sols du CIRAD (Réunion/Montpellier), et sont présentées dans les tableaux II.1a. et II.1b.
Tableau II.1.a. : Principales caractéristiques des deux sols étudiés
pH eau pH KCl MO Ct/N CO CEC Sat % θFC
Sol Brun Vertique (SB) 6,3 5,2 3,37 9 1,96 26,6 90 0,49 Sol Brun Andique (SBA) 5,1 4,4 2,91 10 1,69 9,83 81 0,52
N : azote total g/kg CO et Ct : carbone organique et total g/100g MO : matière organique(mg/kg)
θFC : pF 1,8 (cm3
/cm3) CEC : Capacité d’Echange Cationique mé/100g (extraction cobaltihexamine) Sat % : Saturation en bases de la CEC
Tableau II.1.b. : Texture des deux sols étudiés
Argile Limons Sable
Sol Brun Vertique (SB) 56,7 39,3 4,0 Sol Brun Andique (SBA) 30,7 52,2 17,1
La texture de SB est argileuse et ses principales caractéristiques chimiques montrent des teneurs en MO classiques par rapport à la bibliographie, des teneurs en argile par contre élevées, avec une forte CEC, fortement saturée essentiellement en calcium, supposant la présence d’argile 2/1 et conduisant à un pH élevé.
La texture de SBA est limono-argileuse, et ses principales caractéristiques chimiques montrent des teneurs moyennes en matière organique et en argile inférieures à celles de SB, avec une CEC faible ainsi qu’un taux de saturation moyen conduisant à un pH légèrement acide.
2.1.2. Les molécules étudiées
Les cinq herbicides étudiés ont été présentés dans le chapitre précédent, il s’agit de :
- l’atrazine ou 2-chloro-4-(éthyl-amino)-6-(isopropylamino)-s-triazine - l’alachlore ou 2-chloro-2’,6’-diéthyl-N-(methoxyméthyl) acétanilide - le diuron ou 3-(3,4-dichlorophényl)-1,1-diméthyl urée
- le 2,4-D ou acide 2,4-dichlorophénoxyacétique
- le trichlopyr ou acide [(3,5,6-trichloro-2-pyridinyl)oxy] acétique
2.1.3. Etude des phénomènes de sorption
Alors qu’au champ (dans un sol structuré), l’humidité excède rarement la capacité au champ, les phénomènes de sorption sont généralement caractérisés au laboratoire en réacteurs statiques à l’aide de protocoles mettant œuvre un contact intense entre le sol et l’eau avec un faible rapport sol/eau. Les résultats semblent contrastés sur l’influence de ce rapport sur les coefficients de sorption (WALKER and JURADO-EXPOSITO, 1998 ; BEULKE et al., 2001).
L’objectif de nos expérimentations a été de mesurer les constantes d’adsorption suivant un protocole standard, avec un rapport sol/eau constant et une concentration initiale (CL0) variable (tableau II.2., type I). Cependant, afin de comparer et d’évaluer l’influence de la teneur en eau sur ces constantes, un second protocole a été testé, avec un rapport sol/eau variable et CL0 constante (tableau II.2., type II).
Tableau II.2. : Conditions expérimentales des phénomènes de sorption (temps de contact 24 heures)
Type I Rapport (V 2.5 = (50ml / 20g) w / Ms) constant 3, 6, 9, 12 et 15 mg/l CL0 variable T cste :37°C Type II 0,3 = (15ml / 50g) , 0,5 = (25ml / 50g) , 1 = (25ml / 25g) , Rapport (Vw / Ms) variable
5 = (50ml / 10g) , 10 = (50ml / 5g)
CL0 constant 5 mg/l T cste :37°C
Les expérimentations ont été réalisées en flacon de verre d’une capacité de 150 ml.
Une étude cinétique (type I) a permis de fixer le temps de réaction à 24 heures (période suffisante pour atteindre un pseudo-équilibre sans influence des phénomènes de dégradation), durant lequel les échantillons ont été homogénéisés (40 tr/min avec un agitateur rotatif FISHER LD-79) à une température de 37° C (armoire thermostatée LOVIBOND 636/637).
Une étude de reproductibilité a été effectuée à 25° C sur les deux sols, avec deux herbicides, (atrazine et 2,4-D).
Les concentrations résiduelles en solution (CLe en mg/l) et adsorbées (CSe en µg/g) ont été déterminées après centrifugation de l’échantillon (30 min, 3000 tr/min), filtration (0,45 µm) et analyse par HPLC.
Les isothermes ont été exploitées directement (CSe = Kd CLe) et selon Freundlich (CSe = Kf
CLe1/n ). Le coefficient Koc a été calculé selon Koc = Kd/f / %CO.
2.1.4. Etude des phénomènes de dégradation 2.1.4.1. L’hydrolyse
L’hydrolyse abiotique des herbicides dissous dans les sols peut principalement être influencée par le pH du milieu et par la présence de matière organique dissoute.
Les solutions utilisées pour les expérimentations ont été extraites des deux types de sol, à l’eau ultra pure (EUP) milli-Q (rapport 1/1, agitation pendant une semaine, centrifugation et filtration 0,45 µm) et stérilisées à l’autoclave (125° C pendant 30 min). Les valeurs de
Carbone Organique Dissous (COD) obtenues sont respectivement de 8,0 et 6,6 mg/l pour les solutions de SBA et de SB. Des solutions d’herbicide de concentration initiale 5 mg/l ont été ensuite préparées, tamponnées à des pH au plus proche des conditions réelles (pH 4,3 pour SBA , pH 6,7 pour SB) et incubées à 37°C.
Cette concentration initiale est déduite de calculs approximatifs à partir des données de terrain (doses d’épandage, teneur en eau, densité et épaisseur du sol…) qui conduisent à des concentrations en herbicide de l’ordre du mg/l dans les eaux en contact avec les sols.
L’influence réelle des matières organiques dissoutes sur la décomposition des herbicides a été évaluée à partir d’échantillons complémentaires préparés de façon similaire, mais en EUP milli-Q. Dans ce cas, le pH a été contrôlé à 4,3 (tampon acétate : 8,45 g CH3COOH /l + 1,2 g NaOH /l) ou 6,7 (tampon phosphate : 226 g H3PO4/l + 1,06 g NaOH /l), permettant de travailler au plus près des conditions de pH des deux sols.
Des prélèvements réguliers en conditions stérilisées ont permis de suivre la concentration résiduelle en herbicide, sur un temps total d’environ 2 mois. Les cinétiques ont été exploitées selon un ordre 1.
2.1.4.2. Les phénomènes de dissipation
Des échantillons (un par prélèvement souhaité) de rapport sol/eau 50 g/15 ml, soit 30% d’humidité pondérale, ont été mis en incubation dans des flacons en verre ouverts (au contact de l’oxygène de l’air), de volume 150 ml, à 37°C (armoire thermostatée LOVIBOND 636/637). Le taux d’humidité a été contrôlé par pesée et réajusté une fois par semaine.
En procédant de même que dans les expérimentations d’hydrolyse, la concentration initiale CL0 est fixée à 20 mg/L d’herbicide, soit C0 = 6 µg/g sol.
L’évolution des concentrations résiduelles a été suivie par prélèvements réguliers d’échantillons sur un temps total compris entre une semaine et deux mois selon l’herbicide. La fraction dissoute a été extraite par centrifugation de l’échantillon, 30 minutes après ré-humidification au taux initial, la pression exercée pendant 15 min (3400 tr/min, r = 15 cm, 1000g ) correspondant à un pF d'environ 3. Le surnageant récupéré a été ensuite filtré (0,45 µm) puis analysé.
La fraction adsorbée, mais encore extractible, a été déterminée à partir de deux échantillons de 20 g de sol récupéré après centrifugation. Chaque échantillon a été alors mélangé (40 tr/min, agitateur rotatif FISHER LD-79), soit avec 50 ml de méthanol distillé, soit avec 50 ml d’EUP milli-Q, pendant 16h à 37° C, puis centrifugé, filtré (0,45 µm) et analysé.
Les cinétiques ont été exploitées selon un ordre 1 de façon globale (fractions dissoutes + adsorbées).
Le rendement d’extraction à l’eau ou au méthanol (selon les cas) peut être considéré comme quasi-total, puisque après les premières 24 heures d’incubation, environ 90 % de l’herbicide initialement introduit (pour ceux dont le DT50 est le plus élevé, c.a.d. diuron, atrazine et alachlore) ont été retrouvés dans l’analyse globale (fraction dissoute + fraction désorbée).
2.1.5. Les protocoles analytiques
Les herbicides ont été analysés par chromatographie liquide, HPLC/PDA, chaque produit étant considéré à son maximum d'absorption UV (tableau II.3.). Les solutions d’herbicides utilisées dans les expérimentations (CLUZEAU INFO LABO) ont été préparées dans l’eau ultra pure (système milli-Q : 18mΩ, COT 0,1 mg/L).
Tableau II.3. : Conditions d’analyse par HPLC-PDA
ATRAZINE DIURON ALACHLORE TRICLOPYR 2,4-D Colonne apolaire précolonne + Colonne SUPELCO ABZ+ (15cm / 4.6mm / 3µm)
Injecteur Passeur d’échantillon WATERS 717
Volume d’injection 80, 40(*) µl
Pompe Pompe à gradient 600E (WATERS)
Détecteur Barrette diode (PDA 996 WATERS)
Débit 0.8 ml/min
Phase mobile MeOH/EUP
50/50 Aceto./EUP 50/50 Aceto. acid / EUP acid (**) 50/50
temps de rétention (min) 10,61 20,34 11,28 9,84 8,78
(***) λmax 220 216 215 233 233
(*) 40 µl pour les expérimentations d’adsorption Type I
(**) Les herbicides acides, 2,4-D (pKa 3) et triclopyr (pKa 2.68), se retrouvent généralement, à pH neutre, sous leurs formes anioniques. Les phases mobiles sont donc acidifiées à pH 2 (0.8 ‰ acide trifluor oacétique) avant analyse pour s’assurer de leurs rétentions maximales