Search

International audience; Repeated applications of organic waste products (OWP) are a source of trace elements (TE) inputs to agricultural topsoils. The present study aimed at (i) assessing the effects of repeated OWP inputs on the chemical properties of topsoils in two long-term field experiments (13 and 15 years; calcareous and non-calcareous soils), (ii) evaluating TE phytoavailability and their transfer to grain (winter wheat and maize) and (iii) identifying the underlying factors causing alterations of TE phytoavailability. In both field experiments, receiving compliant or slightly high doses of OWP in compliance with regulations, OWP and soil physicochemical properties and TE concentrations in soils and grains were determined. In situ phytoavailability of TE was assessed at two juvenile crop growth stages by analyzing TE concentrations in shoot plantlets. Depending on the OWP input amount, results showed that compared to the soil receiving no organic amendment, repeated OWP inputs significantly increased soil organic carbon content, pH, cation exchange capacity, total soil Cu, Mo and Zn concentration and the phytoavailability of Mo, while the phytoavailability of Cd, Mn, Ni and Tl was significantly reduced. No notable effect was observed for Cr, Cu, Hg, Pb and Zn phytoavailability. Statistical approaches suggested that due to the repeated OWP applications, increased soil organic carbon content and pH, were likely responsible for decreased TE phytoavailability (e.g., Cd).

National audience

National audience

National audience; La notion d'éléments traces (ET) regroupe les métaux et métalloïdes présents dans l'environnement à des concentrations très faibles de l'ordre ou inférieures au mg d'élément par kg de matrice. Les éléments traces comprennent aussi bien les oligo-éléments essentiels à la vie (Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, Co, etc.) que des éléments non essentiels et extrêmement toxiques (Cd, Pb, Hg, As etc.). Les sols contiennent naturellement les éléments traces en quantité variable et l'activité humaine contribue également à les en enrichir. La mobilité des ET dans les sols régit leur transfert vers les organismes biologiques. Le prélèvement et l'accumulation des ET du sol par les plantes cultivées conditionnent la qualité nutritive mais aussi sanitaire des produits végétaux entrant dans la chaîne alimentaire. L'exposé présentera successivement ce double enjeu, les approches d'évaluation de la mobilité des ET dans les sols agricoles, les éléments de physiologie végétale permettant de comprendre l'accumulation dans les organes consommés ainsi que les voies de recherche visant à réduire la contamination des végétaux par les ET toxiques sans affecter leurs teneurs en oligoéléments.

International audience

International audience; General presentation of the Simtraces model to predict the soil to plant transfer of trace elements

National audience

International audience

International audience

National audience; The accumulation of trace elements in agricultural soils may have long-term implications for quality of crops. Pig slurry is known as a major source of copper or zinc, because these elements are supplemented in pig feed. But the inputs in arsenic, cadmium or lead are not well quantified. The aims of our study were to quantify the trace elements inputs by pig slurry spreading, to compare them to other sources and to estimate the balances. This analysis was performed on 24 fields located in the South-West of France. Copper and zinc fluxes from pig slurry corresponded to 90 % of the total input fluxes. Soils accumulated these elements with an annual increase of the metal stock equal to 0.5 % for copper and 0.3 % for zinc. For cadmium, the major source was the phosphate fertilizers (60 % of the total inputs). Accumulation of As and Cd in soils was low (2,6 g/year/ha and 1,2 g/year/ha respectively). The major contamination source for lead was the atmospheric inputs.

National audience

International audience

International audience

Le transfert et l’accumulation des éléments traces métalliques et minéraux (ETM) au long des différentes étapes de la production porcine du Sud-Ouest de la France ont été décrits et quantifiés lors d’un programme de recherche. Dans une première phase, les flux d’éléments traces ont été étudiés au sein d’exploitations de polyculture-élevage porcin du Sud-Ouest. Au niveau analytique, les travaux ont permis une validation de la méthode d’analyse des éléments en total ainsi que la mise au point d’une méthode d’analyse de spéciation de l’arsenic. Durant la deuxième phase de l’étude, les flux d’ETM ont été quantifiés dans la chaîne de production porcine en distinguant d’une part le système sol-plante et d’autre part le système animal (aliment - organes animaux - lisiers). Les transferts d’ETM ont été suivis du sol à la plante lors de sa croissance, pour une culture modèle utilisée pour l'alimentation des porcs : le maïs. Une expérimentation en station porcine a été menée afin de mesurer les transferts entre l’aliment et l’animal., The potential transfer and accumulation of metallic trace elements (MTE) through the different stages of the pork food chain were studied in a research program. In the first phase, the dynamics of trace elements was studied within farms combining crops and pig production in the Southwest of France. Analytical work had enabled a validation of the analytical determination of elements in total and the development of an analytical method of arsenic speciation. During the second phase of the study, the flow of MTE along the pork food chain was quantified, distinguishing the animal system (feed - animal tissues - manure) and the soil -plant system. The flow of MTE from soil to growing plants was estimated using a corn plant model. An experiment was conducted to measure the transfer of MTE from feed to pig body tissues.

Ce projet a pour objectif de quantifier et de comprendre le transfert et les accumulations potentielles des éléments traces à travers les différentes étapes de la filière agro-alimentaire porcine. Cette étude se place dans le contexte (1) d’une vérification de la qualité sanitaire des produits (teneurs en Cd, Pb, As, Cu et Zn) et (2) de l’acquisition de références sur la teneur naturelle en éléments traces et leurs fréquences dans les différents compartiments de la filière (sol, grains de maïs, soja et tournesol, ration alimentaire des porcs, viande de porc, lisier). Les flux d’éléments traces sont étudiés au sein d’exploitations de polyculture-élevage porcin du Sud-Ouest (Aquitaine, Midi-Pyrénées), avec alimentation des porcs à partir des végétaux produits sur l’exploitation et achetés (tourteaux d’oléagineux). Nos modèles végétaux sont le maïs et le tournesol. Ces deux plantes se caractérisent par des capacités différentes d’accumulation d’éléments traces. Le maïs est une plante faiblement accumulatrice alors que le tournesol est plus fortement accumulateur d’éléments traces (en particulier le cadmium dont les teneurs sont parfois proches des valeurs réglementaires). Dans la première phase du projet, réalisée en 2007-2008, nous avons caractérisé la contamination des sols, lisiers et végétaux dans douze exploitations placées sous démarche qualité. Les parcelles choisies couvrent une large gamme de sols. Nous avons une gamme de sols qui représente bien une contamination diffuse, sans anomalie flagrante. Les teneurs en ETM mesurées dans les lisiers et végétaux sont conformes aux valeurs réglementaires. L’analyse des flux à la parcelle montre une accumulation de Cu et Zn liée à l’apport de lisier. Les parcelles accumulent également Pb, As et Cd mais pour des quantités annuelles beaucoup plus faibles, la source majoritaire pour As et Cd étant les engrais minéraux et pour Pb les retombées atmosphériques. Les pertes en ETM par lessivage/lixiviation n’ont pas été prises en compte dans ce projet par manque de données fiables. Dans le cadre de cette enquête, nous n’avons pas observé d’effet négatif de l’épandage de lisier sur la qualité des récoltes. Au niveau analytique, les travaux ont permis une validation de la méthode d’analyse des éléments en total (comparaison de différentes méthodes de minéralisation) ainsi que la mise au point d’une méthode d’analyse de spéciation de l’arsenic dans les matrices du projet qui est transférable à ces laboratoires de routine. Durant la deuxième phase de l’étude, en 2008-2010, nous avons recherché à quantifier les flux d’ETM le long de la filière porcine en distinguant d’une part le système animal (aliment - organes animaux - lisiers) et d’autre part le système sol-plante. Nous avons suivi les flux d’ETM dans la plante modèle maïs en croissance et à les modéliser sur une base mécaniste prenant en compte le développement de l’organe de prélèvement (système racinaire) et la concentration dans la solution du sol ou le flux de diffusion maximal obtenu par DGT, dans 4 exploitations identifiées durant la première phase d’enquête de terrain (essai « maïs croissance »). Cet essai a notamment montré que les teneurs en ETM dans les grains ne peuvent pas être prédites précisément à partir de variables du sol, et que l’accumulation des ETM dans la plante est liée à la croissance selon un modèle conduisant à une dilution dans la biomasse avec le temps. Une expérimentation en station porcine (station expérimentale IFIP à Villefranche sur Rouergue) a été menée afin de mesurer des flux à l’échelle de l’animal dans des conditions contrôlées, où les lisiers peuvent être récupérés individuellement. Les animaux exposés à des aliments aux teneurs en Pb et Cd élevées (mais respectant la réglementation en alimentation animale) présentent des concentrations en ces éléments plus élevées dans les foies et reins. Elles sont inférieures à la réglementation pour les foies, et pour le Pb dans les reins, mais dépassent la limite réglementaire pour le Cd dans les reins. Par contre, les concentrations en Pb et Cd dans les muscles (jambon) sont très faibles, majoritairement inférieures à la limite de quantification. Une large part des ETM ingérée est excrétée par les déjections. Concernant l’effet du mode de gestion des lisiers sur le flux d’ETM, les simulations réalisées ont permis de pointer que les différentes techniques (techniques séparatives, traitement par nitrification/dénitrification couplé à une simple ou double séparation de phase, traitement par digestion anaérobie) ne modifient pas de façon conséquente les flux d’ETM sur l’exploitation, et conduisent à l’obtention d’un coproduit concentré en Cu et Zn qui ne sont pas exportables car ne répondant pas aux exigences de la norme NF-U44-051.

National audience; The potential transfer and accumulation of metallic trace elements (MTE) through the different stages of the pork food chain were studied in a research program. In the first phase, the dynamics of trace elements was studied within farms combining crops and pig production in the Southwest of France. Analytical work had enabled a validation of the analytical determination of elements in total and the development of an analytical method of arsenic speciation. During the second phase of the study, the flow of MTE along the pork food chain was quantified, distinguishing the animal system (feed - animal tissues - manure) and the soil -plant system. The flow of MTE from soil to growing plants was estimated using a corn plant model. An experiment was conducted to measure the transfer of MTE from feed to pig body tissues.; Le transfert et l’accumulation des éléments traces métalliques et minéraux (ETM) au long des différentes étapes de la production porcine du Sud-Ouest de la France ont été décrits et quantifiés lors d’un programme de recherche. Dans une première phase, les flux d’éléments traces ont été étudiés au sein d’exploitations de polyculture-élevage porcin du Sud-Ouest. Au niveau analytique, les travaux ont permis une validation de la méthode d’analyse des éléments en total ainsi que la mise au point d’une méthode d’analyse de spéciation de l’arsenic. Durant la deuxième phase de l’étude, les flux d’ETM ont été quantifiés dans la chaîne de production porcine en distinguant d’une part le système sol-plante et d’autre part le système animal (aliment - organes animaux - lisiers). Les transferts d’ETM ont été suivis du sol à la plante lors de sa croissance, pour une culture modèle utilisée pour l'alimentation des porcs : le maïs. Une expérimentation en station porcine a été menée afin de mesurer les transferts entre l’aliment et l’animal.

International audience

National audience; Les ETM « Eléments Traces Métalliques » sont présents dans les sols agricoles naturellement, mais aussi en raison des apports humains. Ils sont plus ou moins prélevés par les plantes cultivées et peuvent potentiellement poser des problèmes de sûreté des produits agricoles destinés à l’alimentation humaine comme animale.

International audience

International audience

International audience

Le cadmium (Cd) est un élément toxique. Les activités humaines ont contaminé un large éventail de sols agricoles. L'exposition de l'homme au Cd se fait majoritairement par voie alimentaire, notamment à travers les aliments de base tels que les céréales. Le blé dur accumule naturellement plus de Cd dans ses grains que les autres céréales. Une fraction significative de la production française de blé dur dépasse la limite réglementaire européenne fixée pour le Cd. Il est donc nécessaire de réduire l'accumulation de Cd dans les grains de blé dur. Cette thèse portant sur l'écophysiologie de l'allocation du Cd aux grains chez le blé dur a pour ambition d'aider au développement de stratégies agronomiques visant à réduire le niveau de contamination en Cd du blé dur et de ses dérivés.Dans un premier temps, nous avons étudié la relation entre la structure de la biomasse aérienne et l'allocation de Cd aux grains. Nous avons fait l'hypothèse que la répartition de la biomasse aérienne entre pailles et grains était un facteur déterminant de l'allocation du Cd aux grains. Huit cultivars Français de blé dur - de hauteur de paille contrastée - ont été cultivés en présence de Cd. Comme prévu, le principal facteur expliquant la différence d'accumulation de Cd dans le grain était la structure de la biomasse aérienne. Les cultivars allouant une plus grande proportion de leur biomasse aérienne aux pailles - autrement dit les cultivars à longue tige - avaient tendance à accumuler moins de Cd dans leurs grains, car les tiges et les feuilles sont des puits de Cd en concurrence avec les grains lors de leur remplissage.Les minéraux importés dans les grains proviennent soit de leur absorption directe par la racine après l'anthèse, soit de leur remobilisation depuis des réserves constituées avant l'anthèse. La deuxième partie de ce travail a été consacrée à déterminer l'importance quantitative de ces deux « sources » pour le Cd chez le blé dur, et de préciser comment leur contribution relative varie entre cultivars et avec le niveau d'azote (N). Le traçage isotopique a été utilisé pour suivre le flux de Cd absorbé après l'anthèse. L'impact du niveau d'azote a été testé en privant la moitié des plantes de N après l'anthèse, sur deux cultivars montrant une capacité contrastée à accumuler le Cd dans leurs grains. La contribution de la remobilisation a été estimé à 50%, ce qui signifie que la moitié du Cd accumulé dans les grains provenait du Cd prélevé après l'anthèse. Le Cd a été remobilisé à partir des tiges, peut-être des racines, mais pas à partir des feuilles. La contribution de la remobilisation n'a pas varié entre les deux cultivars, de sorte qu'aucune relation entre la « source » de Cd et son niveau d'accumulation dans le grain n'a été mise en évidence. La privation d'azote en phase de remplissage a stimulé la remobilisation de N sans affecter celle de Cd, ce qui suggère que la remobilisation de Cd est un processus indépendant de la sénescence.En troisième lieu, nous avons examiné comment les caractéristiques d'allocation de Cd aux grains étaient modulées par le niveau d'exposition au Cd. [...]Enfin, nous nous sommes intéressés à la localisation de Cd dans le grain. [...] Ce travail a fourni la première carte de localisation de Cd dans un grain de blé dur. La distribution de Cd s'est caractérisée par une forte accumulation de Cd dans le sillon et par une dissémination dans l'endosperme amylacé plus prononcée que celle de Fe et Zn., Cadmium (Cd) is a toxic element. Human activities have contaminated a wide range of agricultural soils. Most of Cd entering human bodies is through the dietary intake, and especially through staple food like cereals. Durum wheat naturally accumulates more Cd in its grains than other cereals. A significant fraction of the French durum wheat production has been found to exceed the European regulatory limit set for Cd. There is thus a need to reduce the accumulation of Cd in durum wheat grains. This thesis is dedicated to a better understanding of the ecophysiology of Cd allocation to the grains in durum wheat, with the ambition of helping to find agronomic strategies to reduce the Cd contamination level of durum wheat products.In first, we investigated the relationship between the aboveground partitioning of Cd and the shoot allometry. We hypothesized that the partitioning of shoot biomass between grains and straws is a driver of the allocation of Cd to the grains. Eight French durum wheat cultivars differing in their stem height were grown in presence of Cd. As expected, the main factor explaining the difference in their grain Cd was the shoot biomass partitioning. Cultivars allocating a higher proportion of their aerial biomass to the straws, i.e. long-stem cultivars, tended to accumulate less Cd in their grains because stems and leaves are sinks for Cd in competition with developing grains.Minerals imported into cereal grains originate from either direct post-anthesis root uptake or from the remobilization of pre-anthesis stores. The second part of this work was dedicated to determine the quantitative importance of these two pathways for Cd in durum wheat, and how their relative contribution vary between cultivars and with the level of nitrogen (N) supply. Stable isotopic labelling was used to trace the flux of Cd taken up post-anthesis. The impact of N supply was tested by depriving half of the plants of N after anthesis, in two cultivars showing a contrasted ability to accumulate Cd in their grains. The contribution of Cd remobilization was around 50%, which means that half of Cd in grains originated from Cd taken up pre-anthesis. Cd was remobilized from stems, possibly from roots, but not from leaves. The contribution of remobilization did not vary between the two cultivars so that no relationship between the pathway and the level of accumulation of Cd in grain was evidenced. Post-anthesis N deprivation triggered the remobilization of N without affecting that of Cd, which suggests that Cd remobilization is a senescent-independent process.In third, we investigated how the characteristics of Cd allocation to the grains was affected by the level of Cd exposure. [...]In last, we focused on how Cd was distributed within durum wheat grains. [...] This work provided the first map of Cd localization in durum wheat grains. Cd distribution was characterized by a strong accumulation of Cd in the crease and by a non-negligible dissemination in the starchy endosperm, as compared to Fe and Zn.

Le cadmium (Cd) est un élément trace présent dans les sols agricoles qui contamine la chaîne alimentaire en étant prélevé par les plantes et accumulé dans les produits végétaux consommés. La biodisponibilité du Cd est un concept au cœur de l’évaluation des risques de transfert excessif du Cd du sol vers les plantes. Les plantes prélevant essentiellement l’ion Cd2+ dans la solution de sol, la biodisponibilité est fonction de deux principaux processus, la spéciation du Cd en solution (les différentes formes chimiques prises par le Cd en solution) et le partitionnement du Cd2+ entre la phase solide et la solution. L’objectif principal de ce travail a été d’élaborer des modèles simples à visée opérationnelle prédictifs de la concentration en Cd2+ dans la solution de sols agricoles, en modélisant soit la spéciation du Cd en solution de sol, soit le partitionnement phase solide-solution du Cd2+, celui-ci permettant de renseigner en outre la capacité de la phase à réapprovisionner la solution de sol lors de l’absorption racinaire. Nous avons également recherché des modèles pour la prédiction des teneurs en Cd2+ retrouvées dans les grains de blé dur. Nous avons développé deux approches de modélisation. La première, statistique, permet de produire des modèles simples à visée opérationnelle. La seconde, géochimique, permet de comprendre les mécanismes dominants et donc de juger de la cohérence de modèles statistiques simples pour représenter des processus physico-chimiques complexes. Ces deux approches ont montré de manière cohérente que pour les sols agricoles faiblement contaminés, le Cd qui s’échange entre la phase solide et la solution est vraisemblablement sorbé faiblement et peut-être estimé par le Cd extrait par NH4NO3 1 M minoré par une fraction fixée à des oxydes de manganèse. Les modélisations ont également montré l’importance du pH et de la teneur en Ca en solution comme variables contrôlant la solubilité de Cd2+, probablement en raison de leur rôle à régir la disponibilité des sites de sorption et de complexation vis-à-vis du Cd. Le modèle statistique le plus performant pour prédire la teneur en Cd dans le grain de blé dur reprend également ces variables, suggérant ainsi que les modèles statistiques simples de prédiction de la spéciation en solution et de partitionnement sol-solution du Cd sont des modèles pertinents pour estimer la biodisponibilité et qu’ils peuvent permettre de classer des sols en fonction des risques de transfert du Cd du sol vers une culture. Par rapport à l’évolution du contexte réglementaire, le modèle statistique prédictif de la teneur en Cd dans le grain a montré par validation croisée qu’il pourrait discerner de façon assez fiable (88 %) des différences de 0.05 mg Cd.kg-1 de grain et que sa fiabilité serait moindre (65 %) pour des différences de 0.025 mg Cd.kg-1., Cadmium (Cd) is a trace element found in agricultural soils which can contaminate the food chain by being taken up by plants and accumulated in consumed plant products. The bioavailability of Cd is a concept at the centre of the risk assessment of Cd transfer from soil to plants. Plants, taking up essentially the free form of Cd (Cd2+) in the soil solution, bioavailability is a function of two main processes, the Cd speciation in solution (the different chemical forms taken by the Cd in solution) and the partitioning of Cd2+ between the solid phase and the solution. The main objective of this work was to develop simple predictive operational models of Cd2+ concentrations in agricultural soil solution, by modelling either Cd speciation in soil solution or Cd2+ solid-solution partitioning, the latter to further inform the ability of the phase to replenish the soil solution during root absorption. We also looked for models for the prediction of Cd2+ levels found in durum wheat grains. We have developed two modelling approaches. The first, statistical, allows to produce simple models for operational purposes. The second, geochemical, allows to understand the dominant mechanisms and thus to judge the coherence of simple statistical models to represent complex physicochemical processes. These two approaches have consistently shown that for poorly contaminated agricultural soils, the exchanged Cd between the solid phase and the solution is likely to be weakly sorbed and can be estimated by the Cd extracted by 1M NH4NO3 minus a fraction attached to amorphous manganese oxides. Modelling also showed the importance of pH and Ca content in solution as variables controlling the solubility of Cd2+, probably because of their role in controlling the sorption site availability and Cd complexation. The best-performing statistical model for predicting Cd content in durum wheat also picks up these variables, suggesting that simple statistical models for speciation in solution and soil-solution partitioning of Cd are relevant models to estimate bioavailability and that they can be used to classify soils according to the risks of the transfer of soil Cd to a crop. Compared to the evolution of the regulatory context, the statistical model predictive of the Cd content in the grain shown by cross validation that it could discern relatively reliably (88%) the differences of 0.05 mg Cd.kg-1 of grain and that its reliability would be less (65%) for differences of 0.025 mg Cd.kg-1.

246 p., This PhD Thesis has been carried out as a co-tutelle between the UPV/EHU and the University of Bordeaux, in the framework of the Cross-Border Euroregional Campus of International Excellence IdEx Bordeaux ¿ Euskampus. The work is focused on the accumulation of essential and non-essential elements, paying special attention to the edible part of the plants, in terms of food safety and human health. This Thesis work has been divided in two main parts: The first one is related to a field experiment performed in open-air plots, where Swiss chards and tomato plants were grown from seedlings to maturity in natural soil during five months, using organic or conventional agricultural practices. Plants were harvested at six different growth stages and the total concentrations of 27 elements were measured in all plant organs. The objective was to study the partitioning of the elements between the plant organs, depending on the plant age and on the cultivation practice. The second part of the Thesis is devoted to the understanding and modelling of the partitioning of Cd in sunflowers at the reproductive stages. Sunflowers were grown in a nutrient solution at low Cd availability consistent with that found in the field, from germination to maturity. During the reproductive period, five samplings were carried out to investigate the partitioning of the total Cd between plant organs and the origin of the Cd allocated to seeds (root uptake vs. remobilization from other plant organs). A the flower bud and grain filling stages, the partitioning of the Cd recently taken up between the different plant organs was followed and modelled by exposing several plants for three days to a 111Cd enriched nutrient solution. The roles of the transpiration and of the plant allometry were specially investigated.