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√ Affectation structurelle: 

poste basé à Montpellier conditionné à la réussite du concours de l'école doctorale GAIA

√ Intitulé du poste: 
L’usage de biochar pourrait-il contribuer à limiter la contamination des eaux par les pesticides dans les zones agricoles méditerranéennes ?
√ Contexte scientifique: 

Les programmes de surveillance de la qualité des eaux montrent une pollution avérée des eaux de surface et souterraines par les pesticides (SOes, 2014). Ce diagnostic soulève également une problématique de contamination des sols voire de la chaîne alimentaire suivant la biodisponibilité des matières actives. Ce contexte pose deux enjeux scientifiques majeurs, l’un en lien avec la conception de systèmes de culture plus économes en intrant et l’autre par la recherche de gestion du sol pour limiter la dispersion des contaminants dans l’environnement. A ce titre une pratique d’amendement de biochar déployé pour des attentes d'amélioration de rétention en eau et en nutriments dans les parcelles cultivées interroge également sur sa capacité à devenir un levier de gestion de contamination à l’échelle parcellaire. Les biochars sont des substances carbonées, obtenues par pyrolyse de biomasse à des températures allant de 300 à 600 ºC, dans une atmosphère limitée en oxygène, qui sont récalcitrants à la décomposition biologique. Leur utilisation s’est popularisée dans les zones tropicales (Scholtz et al. 2014) mais également dans les régions méditerranéennes (Maizena et al. 2017; Sanchez Garcia et al. 2017) au cours de la dernière décennie en raison de leurs bénéfices multiples pour la fertilité et la structure des sols. De plus, leur structure microporeuse et leur surface spécifique élevée, confèrent aux biochars une grande capacité à adsorber et à retenir des éléments dissous et les composés organiques comme les pesticides (Liu et al. 2018). Ceci pose par ailleurs la question de l’efficacité des pesticides en termes de protection des cultures dans les parcelles amendées (Liu et al., 2018). De nombreuses études démontrent l’affinité très forte d’une large gamme de pesticides pour ces matériaux (Khalid et al., 2020; Yavari et al., 2015) qui va limiter leur mobilité et leur dégradation. En revanche, l’accumulation de pesticides dans les biochars peut générer une source de pollution à long terme si les changements structurels des biochars liés à leur maturation dans le sol conduisent au relargage des pesticides préalablement adsorbés (Khorram et al., 2015). Par ailleurs, suivant le type de biomasse et les conditions de pyrolyse, les propriétés des biochars sont variables et peuvent subir un certain nombre de modifications dans le temps (Sorrentini et al., 2016, Zhelezova et al., 2017). Il reste de nombreux aspects peu documentés et qui semblent essentiels pour améliorer une compréhension des processus affectant les stocks et flux de pesticides dans les sols amendés par biochars. Il s’agit notamment de l’effet d’amendement de biochars sur la biodisponibilité et la dégradation des pesticides. L'effet des biochars sur la dégradation des pesticides dans les sols est complexe avec des résultats d’études qui divergent ; soit avec un rôle protecteur lié à l’adsorption des molécules (Jones et al., 2011; Khorram et al., 2016; Tatarková et al., 2013) ou bien une augmentation de la dégradation via la stimulation de l’activité microbienne (Qiu et al., 2009; Zhang et al., 2005). De plus, comme le soulignent Khorram et al. (2015) la désorption des pesticides sur les matrices biochars reste un élément clé à mieux maitriser pour éviter une source de contamination long terme. Enfin, le vieillissement des biochars peut moduler les processus de rétention et de dégradation des pesticides sur le long terme. Par conséquent, il est encore difficile de prédire sur le long terme le devenir des contaminants dans les sols amendés par biochar (Liu et al., 2017; Siedt et al., 2021).

Ce projet ambitionne d’explorer les effets à long terme d’amendements de biochars dans les parcelles agricoles pour atténuer la contamination de l'eau par les pesticides en contexte agropédoclimatique méditerranéen. Il se propose d'aborder les verrous scientifiques liés à la complexité des interactions entre i) pesticides utilisés, ii) biochars appliqués et iii) les caractéristiques agropédoclimatiques des parcelles. Ces trois composantes ayant chacune une large gamme de propriétés. Les principaux objectifs de ce travail concernent : ● la quantification sur le long terme des processus d’adsorption et de désorption pour une gamme de pesticides représentatifs des usages et couvrant une gamme des propriétés physico-chimiques ainsi que pour une diversité de biochars. Un effort particulier va porter sur la quantification des propriétés de désorption des pesticides depuis la surface des biochars, en particulier dans une dynamique temporelle sur plusieurs cycles culturaux. ● Les effets de la maturation de plusieurs types de biochars seront évalués et quantifiés au cours d'expérimentations de terrain, pour suivre l'évolution de leurs propriétés physico-chimiques et en particulier l’influence de ces évolutions sur les interactions avec les pesticides.

√ Description du poste: 

Ce sujet de thèse est essentiellement basé sur une approche expérimentale complétée par une approche de modélisation. il s’appuiera en particulier sur :

● Une analyse bibliographique pour d’une part appréhender l’ensemble des processus affectant les interactions entre biochars et pesticides, et d’autre part choisir un nombre restreint de pesticides modèles représentatif de la diversité des usages agricole en zone méditerranéenne et identifier les sources de résidus de culture candidates à la production de biochar (e.g., rameaux d’oliviers, sarments de vigne, rafles de raisins, aiguilles de pins, marc de raisin..)

● L’identification et la mise en œuvre de techniques de caractérisation des propriétés physico-chimiques des divers biochars. Cela reposera notamment sur la détermination des surfaces spécifiques par différentes méthodes complémentaires (BET, adsorption bleu de méthylène), la répartition des tailles de pores (porosimétrie Hg), les propriétés de surface et en particulier des groupements fonctionnels déterminant la nature et la durabilité des interactions. Les techniques de spectroscopie (FTIR, NMR) et en solution (méthode de Boehm) sont à envisager. Ces propriétés seront mises en regard du type de biomasse et des conditions thermiques de production de biochar.

● Le design d’expérimentation pour évaluer les effets à long terme (plusieurs mois ou année) du vieillissement des matrices solides (sol/biochar), sur les processus de sorption (adsorption/désorption) des pesticides. Pour cela l’utilisation de molécules marquées au 14C sera envisagée afin notamment de caractériser l’évolution de la fraction de pesticides non extractibles.

● Afin de compléter cette approche expérimentale, l’évolution sur une chronique de deux ou trois ans sera menée au champ sur des parcelles cultivées et traitées avec différents pesticides.

● La mise en œuvre d’une modélisation géochimique des équilibres entre les pesticides en solution et adsorbés à la surface des biochars (type PHREEQC (Parkhurst et Appelo,1999)) afin de gagner en généricité sur l’évaluation des processus de rétention

√ Date souhaitée: 
Vendredi, 1 Octobre, 2021
√ Durée: 
3 ans
√ Affectation géographique: 
Montpellier
√ Salaire: 
bourse ministérielle
√ Profil recherché: 
: titulaire d’un Master 2 ou diplôme d’ingénieur en biogéochimie, sciences environnementales, chimie environnementales ou sciences du sol
√ Contact: 

Claude Hammecker (claude.hammecker@ird.fr)

Anatja Samouelian (anatja.samouelian@inrae.fr)

Jeanne Dollinger (jeanne.dollinger@inrae.fr)

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PDF icon sujet-gaia_biochars_pesticides-2021.pdf117.83 Ko