1 Transfert, spéciation et impact du cuivre dans un sol sous vigne : rôle de la structuration spatiale et du statut organique Aline NAVEL (28-211) Directeurs de Thèse : Jean MARTINS et Lorenzo SPADINI Bourse ministérielle
Contexte 2 Le cuivre dans les sols viticoles Cuivre : Elément natif de Fond géochimique (~5 ppm) * Largement utilisé en France en tant que pesticide * Accumulation dans les sols agricoles (jusqu à plus de 1 ppm) * Forte affinité du cuivre pour les matières organiques * mobilité, biodisponibilité du cuivre. * impact dans l environnement (microflore)
Rôle de la structuration spatiale des sols naturels 3 Adapté de M. Robert - C. Chenu, 22.
Objectifs: Étudier les relations entre la spéciation du cuivre, la matière organique du sol et la microflore, et son évolution temporelle 4 Sorption Free metal Mineral metal salt La Matière Organique Sources : naturels et anthropique Qq % en poids du sol Réservoir de l énergie métabolique Caractéristiques physico-chimiques et constituants du sol (Matière Organique) Cu ++ bound to particle surface ion exchange complexe Christian GRON and Lizzi ANDERSON Distribution de la biodiversité Spéciation Biodisponibilité Microorganismes Les micro-organismes Ils sont partout : ~1 6 à1 1 bactéries/g sol Taille :,2 à 1,5 µm 1 µm Contribution aux cycles C, N, Fe, S Sensibles aux polluants métalliques Quel est l effet de ces relations sur la mobilité du cuivre?
Approche couplée : 5 Structuration spatiale des microhabitats du sol et la mobilité du cuivre dans la zone non saturé. En statique En dynamique Fractionnement granulométrique du sol Suivi des différents paramètres écologiques et chimiques Mobilisation du cuivre en colonne Suivi des différentes formes mobilisées (dissoutes, complexées et particulaires) Essayer d identifier les sources et la localisation des colloïdes du sol impliqués dans le transfert du cuivre
Cadre Projet EC2CO Cytrix : MOBIPO-Cu 6 Versaille Parcelle viticole Site de Mâcon-Clessé (Bourgogne) Site d étude : 1 sol avec 5 statuts organiques (2 ans d amendements) * Contrôle : Non Amendé (NA) * Amendement organique : Paille (S) et Compost de Conifère (CC) * Enherbement maîtriser : Fétuque (F) Trèfle (T) Choix de 2 statuts organiques
Teneur en C organique Choix de 2 sols parmi les 5 statuts organiques 7 Caractérisation Bio-géo-chimiques C organique (g/kg) 6 5 4 3 2 1 Non Amendé Compost de Conifère Paille Fétuque Trèfle Effet de la nature de la Matière organique (Analyse NIRS) Indicateur de la lignine et de la cellulose Coillard, 28 Teneur en biomasse microbienne 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Non Amendé Compost de Conifère P aille Fétuque Trèfle Lejon et al., (27) Type d'amendement apporté NA CC, P, F et T Choix du traitement de MO : 1 contrôle : NA 1 amendement : CC
8 Echelles d étude : Sols Remaniés Sols Non Remaniés * Microcosmes (2 mois) * Casiers lysimétriques en chambre d incubation (2 ans) * Lysimètres de terrain (2 ans) * Parcelle Viticole (2 ans) Conditions contrôlées Conditions naturelles
9 Partie 1 : Obtention et caractérisation risation des compartiments structuraux des sols * Démarche expérimentale * Méthodologie * Caractérisation risation des sols avant contamination * Caractérisation risation des sols contaminés s au cuivre
Démarche expérimentale 1 Sol témoin non amendé Sol NA Sol amendé en compost de résineux sol CC Témoin eau NA TW Cuivre 24 mg/kg NA Cu Témoin eau CC TW Cuivre 24 mg/kg CC Cu
Méthodologie 11 Principe (Monrozier et al. 1991) : Dispersion du sol par agitation et fractionnement par tamisage et sédimentation +H 2 O <2 µm <2 µm >2 µm 63-2 µm Dispersion Sédimentation Tamisage Sédimentation Sédimentation Fractions granulométriques : >25 µm, 25-63 µm, 63-2 µm, 2-2 µm, <2 µm
Validation du protocole de Fractionnement 12 CC NA Masse (g) 14 12 1 8 6 4 2 >25 25-63 63-2 2-2 <2 Taille des fractions granulométriques (µm) * Bilan de masse 1% ±5% * Distribution très reproductible Volume (%) Granulométrie laser 63-2 25-63 1 9 < 2 8 2-2 >25 7 6 5 4 3 2 1,1,1 1 1 1 1 1 Taille des particules (µm) Bonne différentiation des fractions par fractionnement physique non déstructurant Navel et al. (ICOBTE, Mexique, Juillet 29)
13 Caractérisation des fractions des sols 1/ avant contamination
Distribution du C organique dans les fractions 14 14 C mg/g. 12 1 8 6 4 NA CC Thermo Fisher FlashEA1112/Flash2 2 >25 25-63 63-2 <2 Total Soil Sol NA : + important dans la fraction fine (<2 µm) Sol CC : + important dans les fractions grossières MO évoluée débris végétaux Suivi de l évolution temporelle du C organique dans les fractions granulométrique (2 ans) Effet de la contamination au Cuivre Navel et al. BMW (Lisbone, Déc. 9)
Distribution des bactéries cultivables dans les fractions granulométriques des sols 15 9 à 99 % des bactéries Bactéries cultivables Totales Bactéries cultivables Résistantes au Cuivre (CuR) Nbre de Bactéries 1,E+1 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 Sol NA,659%,62%,44%,1% >25 25-63 63-2 <2 nbre de Bactéries 1,E+1 1,E+9 1,E+8 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 Sol CC,237%,1%,125% nd >25 25-63 63-2 <2 Présence de bactéries résistantes au Cuivre Navel et al. (1ème JES, Strasbourg, Mai 9)
Distribution et spéciation en phase solide et liquide du cuivre dans les fractions granulométriques des sols 16 Cuivre lié à la phase solide NA CC Cuivre échangeable en solution M asse de C uivre (µg ). 8 7 6 5 4 3 2 1 >25 25-63 63-2 <2 [C uéchangé total] (m g/l).,7,6,5,4,3,2,1 nd f>25 25>f>63 63>f>2 <2 Distribution similaire du Cu natif dans les deux sols Distribution préférentielle dans la fraction fine (<2 µm) Concentration faible en solution et peu de variation entre les deux sols Navel et al. (1ème JES, Strasbourg, Mai 9)
17 Caractérisation des fractions des sols 2/ après contamination au cuivre (24ppm)
Distribution et spéciation du cuivre ajouté 18 en phase solide dans les fractions granulométriques des sols Non Amendé Amendé en Compost de Conifère 8 8 Masse de Cuivre (µg). 7 6 5 4 3 2 1 >25 25-63 63-2 <2 Masse de Cuivre (µg) 7 6 5 4 3 2 1 >25 25-63 63-2 <2 Distribution similaire du Cu initial et du Cu anthropique Distribution préférentielle dans la fraction fine (<2 µm) Navel et al. (1ème JES, Strasbourg, Mai 9)
Distribution et spéciation du cuivre ajouté 19 en phase liquide dans les fractions granulométriques des sols Non Amendé Amendé en Compost de Conifère [Cuéchangé total] (mg/l).,7,6,5,4,3,2,1 f>25 25>f>63 63>f>2 <2 [Cuéchangé total] (mg/l).,7,6,5,4,3,2,1 f>25 25>f>63 63>f>2 <2 Cuivre en solution : NA > CC : immobilisation du cuivre par la MO (sol CC) La fraction fine (<2µm) libère le plus de cuivre en solution Navel et al. (1ème JES, Strasbourg, Mai 9)
Distribution des bactéries cultivables dans les fractions granulométriques 2 Flore cultivable Totale Flore cultivable Résistante au Cuivre Nbre de Bactéries 1,E+1 1,E+9 1,E+8 1,E+7. 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 1,E+1 1,49% j,92% j NA 1,E+9 21 j CC,24% 21 j,67% 1,E+8 >25 25-63 63-2 <2 Nbre de Bactéries 1,E+7 1,E+6 1,E+5 1,E+4 1,E+3 1,E+2 >25 25-63 63-2 <2 Impact du cuivre principal dans les fractions fines 1ème JES (Strasbourg, Mai 9)
Carbone organique total (CC) Conclusion Masse de Cuivre (µg). 8 1,E+1 7 6 1,E+8 5 1,E+6 4 3 1,E+4 2 1,E+2 1 j 21 j, 6%, 26% C mg/g.,4%,9% 14 12 NA Cu 1,7 8,6,1% 6 1,%,5 4,4 >25 25-63 2 63-2,3 <2,2 >25 25-63 63-2 <2 [ Cuéchang é total] ( m g /L ).,1 1,49%,77% Non Amendé Amendé en Compost de Conifère 8 j 21 j 1,E+1,7 7 1,E+9,92%,24% 6 1,E+8,6, 1% 1,E+75, 22%,125% 1,E+64 2,3%,5 1,E+5 4,% 3 1,E+4,4 1,E+32 1,E+21,3 >25 25-63 63-2 <2 >25 25-63,2 63-2 <2 Masse de Cuivre (µg) CC Cu [ C uéchang é to ta l] ( m g /L ). >25 25-63 63-2,1 <2 Total Soil f>25 25>f>63 63>f>2 <2 f>25 25>f>63 63>f>2 <2 21 Forte concentration en cuivre C organique total (NA) 9 % des bactéries totales et Cu R Masse la plus importante
22 Partie 2 : Etude des mécanismes de transfert du cuivre dans les sols NA et CC. * Méthodologie * Effet de l amendement l Organique * Caractérisation risation de la nature et de l origine l des phases p porteuses du cuivre
Méthodologie 23 =f(t) Pompe Péristaltique Equivalent d une lame d eau de 5 cm Colonne de sol Collecteur d échantillons Cu = f(v) COT = f(v) N bactéries = f(v)
Effet de l amendement organique sur le lessivage du Cuivre 24,6 NA CC,5 1 9 [Cutot] mg/l,4,3,2,1 Non contaminé 5 1 15 2 25 3 Volume écoulé ml Cu (µg) pour 25 ml d'eau écoulé Contaminé 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 Temps (jours) Sols Non contaminés Lessivage jusqu à un plateau (%) Sols Contaminés : Pic de lessivage du cuivre, puis diminution vers un plateau Lessivage environ 1 à 3 % du CuTot
Effet de l amendement organique sur la spéciation du Cu lessivé Pour une évolution temporelle de 2 mois Cu (µg) pour 25 ml d'eau écoulé. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Cu 2+ 1 2 3 4 5 6 Temps (jours) NA CC Cuivre total lessivé L amendement organique augmente le transport de cuivre échangeable total Cu tot NA CC Cuivre libre Cu 2+ L amendement organique diminue le transport de cuivre échangeable libre 25 La MO semble modifier les mécanismes de transfert du cuivre
,6 Rôle des particules mobilisées 26,5,4 [Cuex] mg/,3,2,1 turbidité. 5 1 15 2 25 3 Volume écoulé ml.8.7.6.5.4.3.2.1 5 1 15 2 25 3 volume écoulé [ml] nbre de bactéries C [mg/l] 5,E+5 4,E+5 3,E+5 2,E+5 1,E+5,E+ 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 C organique Dissous 1 2 3 Volume écoulé [ml] Dénombrement bactériens 5 1 15 2 25 3 Volume écoulé [ml]
Conclusion Carbone organique dissous et lessivé racines Cu Cu (µg) pour 25 ml d'eau écoulé. 1 9 8 7 6 5 4 Cu tot 3 2 1 Cu 2+ 1 2 3 4 5 6 Temps (jours) Masse la plus importante 27 Cu Forte concentration en cuivre MO évolué Peu mobile 9 % des bactéries totale et Cu R Cu Très mobile
Perspectives 28 Etude de la structuration spatiale des sols : * Casiers lysimétriques : - Vieillissement prolongé sur deux ans. - Identification des bactériennes des fractions des sols - Détermination des micro-habitats des bactéries * Comparaison des lysimètres incubés et de terrain : * Impact du cuivre sur la biodiversité (empreintes génétiques (Séjour à Dijon, collaboration)
Perspectives 29 Etude en dynamique * Lessivage du sol en colonne : vieillissement de la contamination. * Caractérisation des colloïdes lessivés Colloïdes abiotiques : -Quantification des particules -Nature des particules -Interactions avec le cuivre CC αproteobacteria Colloïdes biotiques : - Identification des souches bactériennes (Flore cultivable, extraction d ADN, Séquençage) - Identification de souche résistante - Origine des souches lessivé βproteobacteria γproteobacteria Firmicutes Actinobacteria
Remerciements : 3 Propriétaire de la parcelle viticole : LACROZE Daniel Chambre d agriculture de Saône et Loire : CROZIER Philippe Participants au projet EC2CO MOBIPO-Cu : DESAUNAY Aurélien, VINCE Erwann, MARTINS Jean M.F. SPADINI Lorenzo, LEJON P.H. David, LEVEQUE Jean, RANJARD Lionel, MARON Pierre-Alain LAMY Isabelle, SEBASTIA Julien FAURE Pierre