Les pesticides appliqués par pulvérisation dans les cultures sont dispersés à la surface des plantes où ils peuvent être transformés sous l'effet de la lumière solaire. Nous avons montré dans ce travail que les herbicides mésotrione et sulcotrione, et les insecticides cypermétrine et deltaméthrine sorbés à la surface des cires cuticulaires, sont photosensibles. Cette propriété est modifiée par l'ajout d'additifs présent dans les formulation commerciales ? Ces derniers peuvent accélèrer ou ralentir la photolyse des principes actifs. Cependant, il ne semble pas y avoir de règle générale permettant de prévoir l'importance de la phototransformation pour chaque matière active. D'autre part, alors qu'en laboratoire la dissipation des pesticides étudiés est uniquement due à la phototranformation ; sur les plantes entières, d'autres phénomènes interviennent. La diffusion dans la cuticule et les pertes dues au lessivage par la pluie ou la rosée peuvent devenir prépondérantes devant la phototransformation.

Ce travail porte sur l'étude des conséquences des interactions sol-herbicide sur la biodégradation de deux herbicides : la mésotrione, récemment mise sur le marché et le glyphosate (RoundUp R). En effet, phénomènes d'adsorption et de biodégradation vont influer sur le devenir des herbicides dans les sols. L'utilisation d'outils analytiques complémentaires (LC/UV, LC/MS , RMN) nous a permis de proposer le premier schéma métabolique complet de dégradation de la mésotrione par une souche pure Bacillus sp. 3B6. Des études d'adsorption des deux herbicides sur divers constituants du sol (argiles cationiques et anioniques, fractions argileuses, sol) ont montré le rôle majeur du pH du milieu sur ce phénomène. La biodégradation de la mésotrione en présence d'une matrice solide n'entraîne pas de modifications des voies métaboliques mais peut, par contre, moduler les cinétiques d'apparition et de disparition des métabolites, ceux-ci pouvant interagir avec la matrice

Parmi les stratégies visant à réduire l'utilisation de pesticides, l'augmentation de l'efficacité des matières actives par du design de formulations ou par l'utilisation de cocktails de pesticides, épandus chacun à plus faible dosage, est une piste très suivie. Cependant, l'influence de mélanges de molécules sur le devenir, le comportement et la toxicité de chacune d'elle individuellement n'a été que rarement décrite. Nous avons donc étudié l'impact des formulations et du mélange d'un herbicide, la mésotrione, et d'un fongicide, le tébuconazole, sur leur biodégradation respective, en termes de cinétiques et de modulations de voies métaboliques de dégradation, mais aussi sur la croissance de différents microorganismes dégradant ou non. Un schéma général de biodégradation de la mésotrione commun à de nombreux microorganismes, Gram positif et négatif, a été proposé conduisant, dans nos conditions, à l'accumulation d'un métabolite, l'AMBA. L'étude comparée avec la formulation (Callisto®) a montré une forte influence des adjuvants sur la cinétique de biodégradation de la mésotrione, allant d'une forte inhibition pour les souches Gram positif testées jusqu'à une stimulation pour une souche d'E. coli. Pour le tébuconazole, seules 3 souches se sont montrées capables de dissiper ce fongicide et de nouveaux métabolites ont pu être mis en évidence. L'utilisation de la formulation (Balmora®) conduit à des effets variables sur sa biodégradation en fonction de la souche et de la concentration. Cependant, les adjuvants présentent toujours un effet inhibiteur, souvent même fort, sur la croissance des microorganismes testés, en particulier sur les souches bactériennes Gram positif, qui se sont toujours révélées plus sensibles. Les études sur le mélange de ces deux pesticides, purs ou formulés ont mis en évidence la complexité des phénomènes : effets inhibiteurs, neutres et souvent stimulation des cinétiques de biodégradation de chaque pesticide que le microorganisme testé dégrade ou non le composé en question ; effet synergique du mélange de pesticides, purs ou formulé, sur la toxicité.

Les pesticides de nouvelle génération sont le plus souvent épandus à de faibles doses et en mélange. Peu d’études se sont intéressées jusqu’à présent à l’effet de ces mélanges sur la biodégradation et la toxicité de chaque pesticide et/ou métabolite. Le but de ces travaux de thèse était d’étudier les voies de biotransformation de chacun des trois herbicides d’un mélange constitué de mésotrione (β-tricétone), nicosulfuron (sulfonylurée) et S-métolachlore (chloroacétanilide) utilisé sur les cultures de maïs, ainsi que la toxicité (test Microtox ® ) des herbicides et de leurs métabolites, seuls et en mélanges. L’identification des métabolites de la mésotrione chez la souche Bacillus megaterium Mes11 et une étude de protéomique différentielle ont suggéré l’implication de nitroréductases dans la première étape de la biotransformation de cet herbicide, rôle confirmé ensuite par la caractérisation structurelle et fonctionnelle de deux enzymes capables de transformer la mésotrione : les nitroréductases NfrA1 et NfrA2, appartenant à la sous-famille NfsA-FRP des Nitro-FMN réductases. La voie de biotransformation du nicosulfuron a, quant à elle, été étudiée chez la souche Pseudomonas fluorescens SG-1 isolée à partir de sol agricole, capable de transformer cet herbicide par co-métabolisme. Cette biotransformation conduit à la formation de deux métabolites majoritaires issus du clivage de la liaison sulfonylurée du nicosulfuron, l’un deux (l’ADMP, 2-amino-4,6-diméthoxypyrimidine) présentant une toxicité 20 fois supérieure à celle de la molécule mère. Nous avons également étudié qualitativement et quantitativement la biotransformation de la mésotrione et du nicosulfuron par la souche Mes11 séparément ou en mélange, et en présence ou non de S-métolachlore Les résultats ont montré un effet négatif de la mésotrione sur la biotransformation du nicosulfuron et un effet positif du S-métolachlore sur la biotransformation de la mésotrione. Tous les mélanges d’herbicides testés ont montré des effets synergiques pour la toxicité vis-à-vis de A. fischeri, tandis que les mélanges de métabolites (avec ou sans S-métolachlore) étaient majoritairement synergiques ou antagonistes. La dernière partie des travaux de thèse est focalisée sur le développement d’une technique préventive de traitement de la pollution par les pesticides d’origine agricole (bioprophylaxie). Nous avons fait la preuve de concept de cette technique par une étude en microcosmes de sol. L’épandage simultané de l’herbicide 2,4-D (acide 2,4-dichlorophénoxyacétique) et de la souche Cupriavidus necator JMP134 capable de le minéraliser a en effet permis de réduire le temps de demi-vie de ce composé d’un facteur 3, tout en conservant son activité herbicide. / The new-generation pesticides are often sprayed at low dosages and in mixtures. Up to now, a few studies focused on the effect of these mixtures on the biodegradation and the toxicity of each pesticide and/or metabolite. The aim of this Ph.D. work was to study the biotransformation of each herbicide of a mixture composed of mesotrione (β-triketone), nicosulfuron (sulfonylurea) and S-metolachlor (chloroacetanilide) applied on maize crops, as well as the toxicity (Microtox® test) of the herbicides/metabolites alone or in mixture. The identification of mesotrione metabolites by the strain Bacillus megaterium Mes11 and a differential proteomic approach suggested the role of nitroreductases in the first step of mesotrione biotransformation. This was confirmed by the structural and functional characterization of two enzymes able to biotransform mesotrione: the NfrA1 and NfrA2 nitroreductases, belonging to the NfsA-FRP sub-family of Nitro-FMN reductases. The biotransformation pathway of nicosulfuron has been elucidated for the strain Pseudomonas fluorescens SG-1 isolated from an agricultural soil and able to co-metabolically biotransform nicosulfuron. Two major metabolites resulting from the cleavage of the sulfonylurea bridge were identified, one of them (ADMP, 2-amino-4,6-dimethoxypyrimidine) presenting a 20-fold higher toxicity than the parent compound. The simultaneous biotransformation of mesotrione and nicosulfuron by the strain Mes11 was also qualitatively and quantitatively studied, showing a negative effect of mesotrione on nicosulfuron biotransformation, and a positive effect of S-metolachlor on mesotrione biotransformation. All parent compound mixtures tested resulted in synergistic effects towards A. fischeri, while metabolite mixtures (with or without S-metolachlor) were mostly synergistic or antagonistic. The last part of the PhD work was devoted to the development of a preventive technique for the treatment of pollutions caused by agricultural pesticides (bioprophylaxis). We made the proof of concept of this method by using a soil microcosm study. The simultaneous spreading of 2,4-D (2,4-dichlorophenoxyacetic acid) herbicide and the strain Cupriavidus necator JMP134 able to mineralize it allowed a 3-fold reduction of 2,4-D half-life in soil, while preserving its herbicide activity.

Parmi les stratégies visant à réduire l’utilisation de pesticides, l’augmentation de l’efficacité des matières actives par du design de formulations ou par l’utilisation de cocktails de pesticides, épandus chacun à plus faible dosage, est une piste très suivie. Cependant, l’influence de mélanges de molécules sur le devenir, le comportement et la toxicité de chacune d’elle individuellement n’a été que rarement décrite. Nous avons donc étudié l’impact des formulations et du mélange d’un herbicide, la mésotrione, et d’un fongicide, le tébuconazole, sur leur biodégradation respective, en termes de cinétiques et de modulations de voies métaboliques de dégradation, mais aussi sur la croissance de différents microorganismes dégradant ou non. Un schéma général de biodégradation de la mésotrione commun à de nombreux microorganismes, Gram positif et négatif, a été proposé conduisant, dans nos conditions, à l’accumulation d’un métabolite, l’AMBA. L’étude comparée avec la formulation (Callisto®) a montré une forte influence des adjuvants sur la cinétique de biodégradation de la mésotrione, allant d’une forte inhibition pour les souches Gram positif testées jusqu’à une stimulation pour une souche d’E. coli. Pour le tébuconazole, seules 3 souches se sont montrées capables de dissiper ce fongicide et de nouveaux métabolites ont pu être mis en évidence. L’utilisation de la formulation (Balmora®) conduit à des effets variables sur sa biodégradation en fonction de la souche et de la concentration. Cependant, les adjuvants présentent toujours un effet inhibiteur, souvent même fort, sur la croissance des microorganismes testés, en particulier sur les souches bactériennes Gram positif, qui se sont toujours révélées plus sensibles. Les études sur le mélange de ces deux pesticides, purs ou formulés ont mis en évidence la complexité des phénomènes : effets inhibiteurs, neutres et souvent stimulation des cinétiques de biodégradation de chaque pesticide que le microorganisme testé dégrade ou non le composé en question ; effet synergique du mélange de pesticides, purs ou formulé, sur la toxicité. / Among the strategies aiming to reduce the use of pesticides, the increase in active ingredient efficiency by formulation design or pesticide mixture (each one being spread at a lower dose) is a well-established approach. Nevertheless, the effect of chemical mixture on the fate, behaviour and toxicity of each compound has not been widely studied. The impact of formulation and mixture of a herbicide, mesotrione, and a fungicide, tebuconazole, on their own biodegradation, in terms of kinetics and metabolic pathway, but also on microbial growth of several microbial strains degrading- or not was studied. A biodegradative pathway for mesotrione common to several Gram-positive and Gram-negative bacteria was proposed, leading under our conditions, to the accumulation of AMBA metabolite. The comparison with the formulation Callisto® showed a high effect of additives on the kinetics of mesotrione biodegradation, ranging from a strong inhibition for the Gram positive strains to stimulation for a strain of E. coli. For tebuconazole, only three bacteria were found capable of dissipating this fungicide and new metabolites were identified. The use of the formulation Balmora® lead to variable effects on tebuconazole biodegradation according to the strain and its concentration. Nevertheless, the additives always had an inhibitory effect on microbial growth, in particular on Gram positive bacteria. Studies on mixtures of both pesticides, pure or formulated, showed the complexity of the processes involved: variable effects but often increase of the pesticide biodegradation although the microorganism studied did or did not degrade them; a synergic toxic effect of pure or formulated pesticide mixture on microbial growth.