Transfert d'eau et de résidus pharmaceutiques vétérinaires dans un bassin versant agricole de méso-échelle soumis aux crues éclairs

par Nico Hachgenei

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Céline Duwig.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Géosciences de l'Environnement (laboratoire) .


  • Résumé

    Ce travail se concentre sur le transfert environnemental des résidus de médicaments vétérinaires qui pénètrent dans l'environnement via les excréments des animaux traités. Il est étudié dans les conditions d'un bassin versant à méso-échelle sous climat méditerranéen avec une agriculture extensive. Dans un premier temps, lors d'entretiens avec des éleveurs 14 composés pharmaceutiquement actifs (PhAC) ont été identifiés comme étant systématiquement utilisés dans le bassin versant, dont 10 antiparasitaires. Les antibiotiques n'étaient utilisés de manière significative que pour les chèvres. Nous avons choisi l'Ivermectine (IVM) comme molécule représentative de ces médicaments antiparasitaires et nous avons fait des expériences de transfert sur ce composé. Pour ces expériences, nous avons mis au point un dispositif permettant de prélever des monolithes de sol intacts et de les soumettre à des pluies simulées. Des bouses de vaches non traitées ont été dopées à une concentration réaliste telle que rapportée dans la littérature et placées sur le sol. Des événements pluvieux intenses consécutifs ont été simulés et le ruissellement de surface (OF) ainsi que le flux de drainage ont été mesurés et échantillonnés à haute fréquence. Des valeurs de concentration allant jusqu'à 3855 ng L-1 ont été observées dans l'OF. La concentration dans le flux de drainage était significativement réduite dans les sols provenant de la de la partie sédimentaire du site d'étude 150 ng L-1. Sur les sols du plateau basaltique du Coiron, l'hydrophobicité du sol a conduit à un fort écoulement préférentiel et la concentration d'IVM n'a pas été substantiellement réduite au passage à travers le sol. D'un autre côté, une humidité initiale du sol plus élevée a conduit à une rétention accrue de l'IVM à la fois par le drainage et par l'OF. En général, plus d'OF et une plus grande exportation d'IVM ont été observées sur les sols du plateau du Coiron. A cette échelle, l'hydrophobicité du sol semble jouer un rôle important dans la génération de l'OF. Enfin, afin de relier ces résultats à l'échelle du bassin versant et à la problématique globale de transfert des résidus pharmaceutiques vers les masses d'eau de surface, un modèle hydrologique conceptuel semi-distribué a été développé à l'échelle du bassin versant de la Claduègne afin d'estimer les distributions de temps de transit (TTD) sur un pas de temps horaire à l'aide de fonctions SAS et de suivi d'âge. Le modèle a été calibré par rapport au débit observé, à la concentration en silice et au rapport isotopique en deutérium de la molécule d'eau à l'exutoire. Le modèle prédit des fractions allant jusqu'à 60 % du débit à l'exutoire d'un âge inférieur à un jour pendant les événements de crue majeurs. Sur l'ensemble de la période d'observation, cette fraction représente 8.4 % de l'écoulement total. En moyenne, 25 % du volume d'eau sortant du bassin versant a un âge inférieur à 30 jours. L'analyse de quelques échantillons d'eau de ruisseau de la Claduègne pour trois produits pharmaceutiques vétérinaires a révélé que le Fenbendazole (FBZ) et le Mebendazole (MBZ) étaient présents à des concentrations détectables uniquement en période de crue, ce qui indique une forte importance de l'écoulement préférentiel pour leur transfert dans les ruisseaux. Des concentrations de l'antiparasite porcin FBZ allant jusqu'à 28.5 ng L-1 ont été observées lors d'un petit événement de crue en été, ce qui correspond à 355 fois la concentration prédite sans effet (PNEC) pour les poissons.

  • Titre traduit

    Water and veterinary pharmaceutical transfer in an agricultural mesoscale catchment prone to flash floods


  • Résumé

    This work focuses on environmental transfer of residues of veterinary drugs entering the environment via dung from treated animals. It is studied under the conditions of a meso-scale catchment under Mediterranean climate with extensive agriculture. In a first step, interviews with livestock breeders were conducted to identify the treatment practices. 14 pharmaceutically active compounds (PhAC) were identified to be systematically used in the catchment, 10 of which antiparasitic drugs. Antibiotics were of significant use only for goats. We chose Ivermectin (IVM) as a representative molecule for those antiparasitic drugs and did further transfer experiments on this compound. For these experiments, we developed a device to sample intact soil monoliths and subject them to simulated rainfall. Dung from untreated cows was spiked to a realistic concentration (3 mg kg−1) as reported in literature and placed on the soil. Consecutive intense rain events were simulated and surface runoff and drainage flow were measured and sampled at high frequency. Concentration values of up to 3855 ng L−1 were observed in overland flow (OF). The concentration in drainage flow was significantly reduced in soils from the sedimentary foothills part of the study site (< 150 ng L−1). On soils from the Coiron basaltic plateau, water repellency led to strong preferential flow and the concentration of IVM was not substantially reduced by leaching through the soil. Higher initial soil moisture led to increased retention of IVM through both drainage and OF. Overall, up to 1 % of the initial mass of IVM was exported during two consecutive rain events. In addition, we could show that drying of cow dung effectively reduces the mobilization of IVM. In general, more OF and a higher export of IVM were observed on soils from the Coiron plateau. On this scale, soil water repellency (SWR) seems to play a substantial role in the generation of OF. Finally, in order to link those results to the catchment scale and the overall problematic of transfer of pharmaceutical residues to surface water bodies, a semi-distributed conceptual hydrological model was developed on the scale of the Claduègne catchment using SAS functions and age tracking in order to estimate transit time distributions (TTD) on an hourly time step. The model was calibrated against observed discharge, silica concentration and deuterium isotope ratio of the water molecule at the outlet. The model predicts fractions of up to 60 % of discharge at the outlet of an age below one day during major flood events. Over the whole observation period, this fraction represents 8.4 % of the total runoff. In average, 25 % of the discharge are less than 30 d old. The analysis of a few stream water samples from the Claduègne catchment for three veterinary pharmaceuticals revealed that Fenbendazole (FBZ) and Mebendazole (MBZ) were only present at detectable concentrations throughout flood events, indicating a strong importance of preferential flow for their transfer into the streams. Concentrations of the pork antiparasitic FBZ of up to 28.4 ng L-1 were observed during a small flood event in summer, which is 355 time the predicted no effect concentration (PNEC) for fish. This thesis shows that high amounts of IVM can be mobilized from cow dung and transferred through and over soil at the plot-scale, despite the fact that IVM is generally considered immobile due to its hydrophobicity and therefore strong adsorption to the soil's organic matter. The highest mobilization of IVM was observed under the condition of intense precipitation on dry soil due to water repellency causing strong preferential flow (including OF). Preliminary results on the catchment scale suggest that this mechanism may as well be effective on this scale, despite the smaller amplitude of the hydrological response. An age tracking model reveals a high fraction of event water in the discharge at the Claduègne outlet during major flood events.