La fertilisation soufrée est-elle un levier efficace pour limiter le transfert sol-grain du Cd chez le blé dur ?

Is sulfur fertilization an effective lever to limit the soil-to-grain transfer of cadmium in durum wheat ?

• Auteur / Autrice : Agathe Vidal
• Direction : Christophe Nguyen, Jean-Yves Cornu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie et écotoxicologie
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions sol plante atmosphère (INRA Bordeaux-Aquitaine)
• Jury : Président / Présidente : Camille Dumat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthias Wiggenhauser, Catherine Sirguey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Salon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets du soufre

Engrais et amendements

Risques pour la santé

Teneur en cadmium

Blé dur

Mots clés libres

Faible dose cadmium

Sécurité sanitaire

Séquestration racinaire

Disponibilité

Ligands soufrés

Low dose cadmium

Food safety

Root sequestration

Availability

Sulfur compounds

Résumé

Le cadmium (Cd) est un élément métallique non essentiel et très toxique, présent généralement à l’état de trace dans les sols. Son origine est naturelle en lien avec la pédogenèse mais aussi anthropique (contamination des intrants agricoles rejets industriels etc.). En prélevant le Cd du sol par leurs racines, les plantes accumulent ce contaminant dans leurs parties aériennes, menaçant ainsi la qualité sanitaire des denrées alimentaires. C’est le cas du blé dur, qui est la céréale accumulant le plus fortement le Cd dans ses grains et qui contribue fortement à l’exposition chronique de la population française au Cd par voie alimentaire. Compte-tenu de la forte toxicité pour l’Homme de ce métal classé cancérogène et reconnu pour ses effets délétères sur les reins notamment, l’Union Européenne a établi des seuils réglementaires fixant les teneurs maximales du Cd dans un grand nombre de denrées alimentaires. Suite à de récentes études toxicologiques, les seuils réglementaires se multiplient et se durcissent. Pour les grains de blé dur, le seuil a récemment été abaissé de 0.20 mg Cd kg-1 à 0.18 mg Cd kg-1 (CE 915/2023). D’autres baisses seront probablement mises en application à l’avenir, ce qui nécessite de trouver des leviers pour limiter le transfert sol-grain du Cd. Le Cd a une forte affinité chimique pour le soufre (S) avec lequel il forme des complexes très stables dans le cas des groupements thiols (-SH) des molécules organiques, plus labiles dans le cas des sulfates. La littérature montre que l’apport de S au sol peut modifier la phytodisponibilité du Cd du sol et affecter la répartition entre organes, les complexes Cd-ligand soufrés contribuant à détoxifier ce métal en le séquestrant dans les vacuoles, notamment dans les racines. Cependant, la littérature concerne majoritairement les sols pollués et la phytoextraction. Peu de travaux portent sur les sols agricoles faiblement contaminés. Ce travail de thèse avait pour objectif de tester si l’apport de S à des doses et formes chimiques utilisées en céréaliculture pouvait limiter l’accumulation de Cd dans les grains de blé dur dans le contexte des sols agricoles. Nous avons montré, en conditions contrôlées, que la solubilité du Cd pouvait être augmentée par l’apport de sulfate d’ammonium, non pas par l’effet direct des sulfates mais par l’effet d’acidification résultant de la nitrification de l’ammonium. En conditions contrôlées et au champ, les apports de S ont légèrement diminué la concentration en Cd dans les grains de blé dur parfois en lien avec une plus forte rétention racinaire du Cd comme attendu. Nous avons observé que le Cd était majoritairement stocké dans les racines et, aux stades reproducteurs, qu’il était remobilisé vers les parties aériennes en même temps que le S. En réduisant la remobilisation du S à partir des racines, la fertilisation soufrée pourrait contribuer à également limiter la remobilisation du Cd des racines vers les grains. Par ailleurs, nos résultats ont montré que la fertilisation S pouvait également affecter la distribution de la biomasse entre les organes, affectant ainsi leur teneur en Cd. Nos travaux suggèrent donc que chez le blé dur, veiller à satisfaire les besoins en S des plantes permettrait de réduire légèrement la teneur en Cd des grains indirectement par des effets sur la biomasse et aussi peut être par des mécanismes directs d’interactions S-Cd. Même s’il n’est pas majeur, le levier de la fertilisation soufrée mérite d’être considéré pour réduire la contamination cadmiée du blé dur.

Cadmium (Cd) is a non-essential and highly toxic metal, generally occurring at trace level in soils. Its origins are natural, linked to pedogenesis, but also anthropogenic (contamination by agricultural inputs, industrial wastes, etc.). By taking up Cd from the soil through their roots, plants accumulate this contaminant in their aboveground parts, threatening the food safety. This is the case for durum wheat, which is the cereal that accumulates the most Cd in its grains, and therefore is a strong contributor to the chronic dietary exposure of the French population to Cd. Cd is carcinogenic and highly toxic to humans especially for kidneys and therefore, the European Union has established regulatory limits setting maximum levels of Cd in numerous foodstuffs. As a result of recent toxicological studies, numerous new regulatory limits have been established and existing ones have been decreased. For durum wheat grain, the limit has recently been revised downwards from 0.20 mg Cd kg-1 to 0.18 mg Cd kg-1 (EC 915/2023). Further decreases are expected in the future, pointing out the need to find solutions to limit the transfer of Cd from soil to grain. Cd has a strong affinity for sulfur (S), with which it forms complexes that are highly stable with the thiol (-SH) groups of organic molecules, and more labile with sulfates. The literature shows that the addition of S to soil can modify not only the phytoavailability of this metal in soil but also its distribution between plant organs. Cd-S ligand complexes are known to detoxify this metal by sequestration in vacuoles, particularly in roots. However, literature mainly concerns polluted soils and phytoextraction, with little work on weakly contaminated agricultural soils. The aim of this thesis work was to test whether the addition of S at doses and chemical forms used in cereal cultures could limit Cd accumulation in durum wheat grains in the context of agricultural soils. We showed, under controlled conditions, that the solubility of Cd can be increased by the addition of ammonium sulfate, not by the direct effects of sulphates, but by the acidification resulting from the nitrification of ammonium. In hydroponics and in the field, the addition of S slightly reduced the Cd concentration in durum wheat grains, sometimes in association with greater retention of Cd in roots, as expected. We observed that most of the Cd was stored in the roots and that, during the grain filling, it was remobilized and transferred to the aboveground parts concomitantly with S. By reducing the remobilization of S from the roots, sulfur fertilization could then help to also limit the remobilization of Cd from the roots to the grain. Besides, our results showed that S fertilization could also affect the distribution of biomass between organs, thus affecting their Cd content. Overall, our work suggests that in durum wheat, ensuring that the S requirements of the plant are met could slightly reduce the Cd content of the grain through indirect effects on biomass and possibly through direct S-Cd interaction mechanisms. Even if its effect is not very strong, it is worth considering S fertilization as a lever to reduce cadmium contamination in durum wheat.