Assessment of the environmental fate of pesticides and their ecotoxicological impact on soil microorganisms : the case of chlorpyrifos, isoproturon and tebuconazole

Pesticides are mainly applied to cultivable soils in agriculture to protect crops from various pests. Only a tiny part of sprayed pesticides ends up in their target organisms, while the rest persists on plants or in soil from where it can disperse to surrounding environments and harm non-target organisms. To minimize environmental damage caused by pesticides, their environmental fate and potential impact on non-target organisms is evaluated in an environmental risk assessment procedure by EU-authorities before their authorization and introduction to the market. The pesticide approval process is criticized for compromising a non-precautionary principle, as numerous formerly used pesticides are now banned due to the late emergence of environmental issues after years of their usage. Especially the formation of pesticide transformation products and the ecotoxicological impact of pesticide residues on soil microorganisms supporting numerous ecosystem functions are not sufficiently evaluated during the environmental risk assessment process. Within this context, my PhD aimed to support pesticide environmental risk assessment by the application and development of innovative methods of analytical chemistry and molecular biology to study the environmental dissipation (degradation / sorption / transformation) of pesticides in soil and their ecotoxicological impact on soil microorganisms. The three pesticides chlorpyrifos (CHL), isoproturon (IPU) or tebuconazole (TCZ) were chosen to establish lower tier and higher tier pesticide exposure scenarios in lab-to-field experimental designs. A research highlight of my PhD is the development of a combined approach of suspect screening and molecular typology to detect and classify TCZ transformation products in soil and to estimate their environmental parameters. Moreover, findings of my PhD partly confirmed risk assessment studies, as the lower tier pesticide exposure scenario suggested a low but significant impact of CHL and TCZ (and no impact of IPU) on the soil bacterial composition, estimated by next-generation sequencing of 16S rDNA amplicons. However, in the higher tier pesticide exposure scenario, CHL and TCZ were found to induce significant changes in the microbial activity (evaluated via pesticide mineralization as a proxy for soil buffering functions) and the bacterial diversity (evaluated via next-generation sequencing of 16S rDNA amplicons). The results of my PhD have the potential to enrich future post-authorization risk assessments of CHL (due in 2020), IPU (due in 2017) and TCZ (due in 2023) with additional findings. In addition, the research of my PhD opens a new door for the enhancement of pesticide environmental risk assessment, especially concerning the methods used to assess the ecotoxicological impact of pesticides on soil microorganisms. French summaryLes pesticides sont principalement appliqués sur les sols cultivés dans l'agriculture pour protéger les cultures. Seule une infime partie des pesticides pulvérisés atteint les organismes cibles, tandis que la plus grande partie reste sur couvert végétal ou dans le sol d'où il peut se disperser dans les milieux environnants et nuire aux organismes non-cibles. Pour réduire au minimum les dommages environnementaux causés par les pesticides, leur devenir dans l'environnement et l'impact potentiel sur les organismes non-cibles sont évalués dans une procédure d'évaluation des risques environnementaux par des autorités de l’UE avant leur autorisation et l'introduction sur le marché. Le processus d'approbation des pesticides est critiqué car il remet en cause le principe de précaution, étant donné que de nombreux pesticides autorisés auparavant sont maintenant interdits en raison de l'émergence tardive des problèmes environnementaux après des années d’utilisation. En particulier, la formation de produits de transformation des pesticides et l'impact écotoxicologique de résidus des pesticides sur les microorganismes du sol supportant de nombreuses fonctions de l'écosystème ne sont pas suffisamment pris en compte au cours du processus d'évaluation des risques environnementaux des pesticides. Dans ce contexte, ma thèse visait à évaluer les risques environnementaux des pesticides par l'application et le développement de méthodes innovantes de la chimie analytique et de la biologie moléculaire pour étudier la dissipation (dégradation / sorption / transformation) des pesticides dans le sol et l’impact écotoxicologique qu’ils causent sur les microorganismes du sol. Les trois pesticides chlorpyrifos (CHL), isoproturon (IPU) ou tebuconazole (TCZ) ont été choisis pour les tester à différents niveaux d’exposition dans des dispositifs expérimentaux allant du laboratoire-au-champ. Un résultat marquant de ma thèse est le développement d'une approche combinant le criblage ciblé et le typage moléculaire pour détecter et classifier des nouveaux produits de transformation du TCZ dans le sol et d'estimer leurs paramètres environnementaux. En outre, mes expérimentations ont partiellement confirmé les études d'évaluation du risque, montrant pour le scénario d’exposition le plus bas un impact faible mais significatif de l’exposition à CHL et TCZ sur la composition bactérienne du sol, estimée par le séquençage de nouvelle génération d’amplicons du gène de l’ARNr16S (et aucun impact du IPU). Toutefois, pour le scénario d'exposition le plus élevé, l’exposition à CHL et TCZ a induit des changements importants de l'activité microbienne (évaluée par la minéralisation des pesticides comme proxy de la fonction de filtration du sol) et la diversité bactérienne (évaluée par le séquençage de nouvelle génération d’amplicons du gène de l’ARNr 16S). Les résultats acquis au cours de ma thèse pourront enrichir l'évaluation des risques à posteriori qui sera conduite dans le cadre de la révision de l’autorisation du CHL (attendue en 2020), de l’IPU (attendue en 2017) et du TCZ (attendue 2023). En outre, mes recherches ouvrent de nouvelles perspectives pour l’évaluation de l'impact écotoxicologique des pesticides sur les microorganismes qui soutiennent des fonctions écosystémiques du sol