Thèse Biodisponibilité et Effets Combinés Glyphosate et du Cuivre sur les Biofilms d'Eau Douce H/F - 33

Établissement : Université de Bordeaux
École doctorale : Sciences et environnements
Laboratoire de recherche : EABX - Écosystèmes aquatiques et changements globaux
Direction de la thèse : Nicolas MAZZELLA DI BOSCO ORCID 0000000284999688
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-27T23:59:59

Le glyphosate, un herbicide courant, est souvent utilisé avec la bouillie bordelaise en agriculture, entraînant une pollution simultanée des eaux par le glyphosate et le cuivre. Les études montrent jusqu'ici des conséquences et impacts variés, parfois contradictoires, de cette double contamination sur l'environnement. Considéré isolément, le cuivre est toxique pour les micro-organismes des biofilms périphytiques, essentiels pour l'équilibre des écosystèmes aquatiques, induisant par exemple du stress oxydatif ou encore en modifiant leur structure. Le glyphosate peut également impacter directement les communautés au sein des biofilms, toutefois, un rôle moins documenté de celui-ci porte sur ses propriétés chélatantes vis-à-vis des métaux. Il peut en effet moduler la disponibilité des nutriments et des métaux lourds dans les sols et les milieux aquatiques.
Afin d'aller plus loin dans la compréhension de ce type de pollutions complexes et en mélange, il est suggéré, dans le cadre de cette thèse, d'examiner le comportement du glyphosate et de l'AMPA, principal métabolite, en présence d'un métal comme le cuivre, en tenant compte à la fois des aspects physico-chimiques (complexation, compétition avec d'autres ligands, notamment la MOD) et des impacts globaux sur la communauté de biofilms d'eau douce.

Le glyphosate, un herbicide très largement utilisé en contexte agricole, se retrouve souvent appliqué simultanément avec bouillie bordelaise (CuSO4) lors de traitements fongicides associés. Après application au champ, ils peuvent être transférés vers les masses d'eau via les eaux de pluie, entraînant une pollution combinée au glyphosate et au cuivre (Cu). Plusieurs études mettent en évidence cette double contamination dont les conséquences environnementales et écotoxiques sont assez variables, voire contradictoires. Liu et al., 2019 ont ainsi pu relever dans quelques études que, chez le blé, le Cu pourrait renforcer l'inhibition de la croissance des racines par le glyphosate à de faibles concentrations, que par ailleurs chez le ver Eisenia foetida le glyphosate réduirait la toxicité et la biodisponibilité du Cu dans le sol par chélation, ou bien encore chez la diatomée Nitzschia palea des effets additifs partiels du glyphosate et du Cu ont été observés. De plus, peu d'études rapportent les processus chimiques environnementaux (i.e., formation et devenir des complexes entre le Cu et le glyphosate) ainsi que les aspects toxicocinétiques et toxicodynamiques, en particulier au niveau des biofilms périphytiques, de cette pollution combinée dans les masses d'eau. Les biofilms périphytiques sont des communautés complexes composées de cyanobactéries, d'algues vertes, de diatomées, de bactéries, de champignons, et de proto- et métazoaires, fixées sur différents substrats immergés. Les biofilms jouent un rôle essentiel dans l'équilibre des écosystèmes aquatiques, en termes de flux géochimiques (Battin et al., 2016) et de fonctions écosystémiques (Morin & Artigas 2023). A la base de la chaine trophique aquatique, ils contribuent à la production primaire, au cycle de carbone et à la rétention des nutriments organiques, et représentent une source nutritive de choix pour les organismes supérieurs.

a.Le glyphosate comme herbicide chez les microalgues... et source de phosphore pour les bactéries et champignons des biofilms

Les effets délétères du glyphosate sur les communautés végétales aquatiques ont été résumés dans la récente expertise scientifique collective relative aux impacts des produits phytopharmaceutiques sur la biodiversité et les services écosystémiques. Concernant les communautés microbiennes d'eaux douces, la plupart des études démontrent un impact du glyphosate (sous la formulation commerciale Roundup®) sur la biodiversité des microalgues d'eau douce à des concentrations élevées (plusieurs mg.L-1; Perez et al. 2007, Pesce et al. 2011), avec une réduction de la biomasse du périphyton. A des concentrations plus faibles (0,001 à 1 mg.L-1), des impacts physiologiques ont été reportés pour des communautés phytoplanctoniques (Smedbol et al. 2018) avec notamment une accumulation du shikimate, impliquant ensuite une baisse de la synthèse d'acides aminé aromatiques, ou bien de la peroxydation lipidique globale. L'exposition au glyphosate induit également des modifications dans la structure taxonomique de périphyton, avec une sélection des diatomées et des cyanobactéries au détriment des chlorophycées (Vera et Trinelli 2021). La récupération de ces communautés post-exposition, placées en milieu non contaminé, était possible seulement dans le cas d'une faible concentration d'exposition. Dans une étude ciblée sur les communautés de diatomées, Corrales et al. (2021) révélaient des changements marqués dans la composition spécifique (sélection et développement d'espèces tolérantes) de biofilms issus de milieux hypereutrophes exposés au glyphosate (mg.L-1 à dizaine de mg.L-1), sans répercussion toutefois sur la diversité spécifique.
L'exposition au glyphosate semble peu impacter peu la décomposition de litière aquatique par les organismes hétérotrophes, toutefois des modifications légères ont été notées dans la croissance et la structure des communautés fongiques aquatiques (Kennedy et al. 2012). Quelques études reportent la capacité de dégradation du glyphosate par ces communautés, capacité influencée par leur historique d'exposition au pesticide, mais également par les conditions environnementales. En effet, Carles et al. (2019) ont démonté une influence majeure de la disponibilité en phosphore sur la dégradation du glyphosate par les biofilms des cours d'eau.

b.La phytotoxicité reconnue du cuivre

La toxicité du cuivre sur les différentes composantes biologiques des biofilms est particulièrement bien documentée (Pesce et al. 2024). En particulier, l'exposition au cuivre modifie la structure des communautés microbiennes benthiques (Corcoll et al. 2019, Serra et Guasch, 2009), inhibe leur efficacité photosynthétique et induit du stress oxydatif (Bonnineau et al. 2012). L'exposition chronique au cuivre entraîne néanmoins une adaptation de ces communautés (adaptation physiologique et structurelle) les rendant plus tolérante au cuivre (PICT : Pollution Induced Community Tolerance, Lambert et al. 2017). La modulation de la nocivité du cuivre par des déterminants environnementaux a été surtout étudiée sous l'angle de l'effet de la température, du pH et de la dureté de l'eau (Laderrière et al. 2021). A l'échelle des biofilms, il a été démontré également qu'une élévation de température provoquait un déséquilibre progressif dans la structure des communautés microbiennes aquatiques, et une perte de diversité spécifique exacerbée par l'exposition au cuivre, mais une toxicité variable du cuivre selon les descripteurs physiologiques étudiés (Pesce et al. 2018). La toxicité du Cu peut-être modulée par la présence de matière organique dissoute (MOD), comme démontré dans les approches expérimentales conduites par Macoustra et al. (2020). Leurs résultats indiquent que les impacts du cuivre, sur la croissance et la physiologie de la chlorophyte d'eau douce Chlorella sp., étaient masqués en présence de concentrations élevées en MOD qui limitait la biodisponibilité du métal, puis sa toxicité (voir aussi McDonald et al. 2025).

c.Le glyphosate comme agent chélateur dans les sols, puis les milieux aquatiques

Dans leur dépôt de brevet concernant les acides aminophosphiniques et aminophosphoniques (AAPs), dont le glyphosate, Toy et Uhing (1964) ont mis en avant les multiples applications potentielles de ces composés. Ils ont souligné leur utilité comme agents chélateurs, agents mouillants, substances actives en biologie, ainsi que leur rôle d'intermédiaires chimiques pour synthétiser d'autres dérivés de cette famille moléculaire. Toutefois, à cette période, leurs propriétés herbicides, notamment celles du glyphosate, n'avaient pas encore été identifiées ou documentées.
D'autre part, de nombreux agents chélateurs, comme l'acide citrique ou oxalique, les sidérophores, les acides phénoliques, etc., peuvent être retrouvés dans les milieux naturels, ils jouent un rôle essentiel dans la modulation de disponibilité des nutriments ou d'élément toxiques tels que les métaux lourds (Cesco et al. 2012). De telles propriétés peuvent d'ailleurs être employées de manière bénéfique dans le cadre de la phytoremédiation, par exemple. Cependant la présence d'agents chélateurs peut également avoir des effets délétères en remobilisant à partir des sols et sédiments, puis vers les eaux de surface, les métaux toxiques, facilitant ainsi leur absorption par les organismes (Oviedo et Rodriguez 2003). Aussi, lorsqu'il s'agit d'ajouts de composés exogènes, comme c'est le cas avec le glyphosate et son principal métabolite, l'AMPA, nous ne savons pas de manière claire si les AAPs, avec leurs propriétés chélatantes, sont capables d'avoir un impact sur la biodisponibilité des métaux, et donc de contribuer indirectement soit (i) à une toxicité plus élevée, soit (ii) à une limitation des nutriments pour les organismes des milieux aquatiques, dans le contexte de cours d'eau et de bassins versants en aval des parcelles qui font l'objet de traitements phytosanitaires.
Au niveau du devenir et des conséquences sur les milieux aquatiques, les AAPs ont tendance à former des complexes avec les métaux de transition, dont le cuivre (Fauvelle et al., 2015). Parmi les facteurs influents, on retrouve le pH, la stoechiométrie ou encore la compétition avec les autres agents chélateurs d'origine biologique potentiellement présents (Mertens et al., 2018). Dans des conditions classiques de cours d'eau, des valeurs de pH neutres ou légèrement alcalines vont entrainer la déprotonation des groupes phosphonate et carboxylate du glyphosate et de l'AMPA, favorisant ainsi de manière générale leurs propriétés chélatrices. Au niveau de la stoechiométrie, il est courant d'observer dans des bassins versants agricoles des concentrations en glyphosate de l'ordre du µg.L-1, et de quelques dizaines, voire la centaine de µg.L-1 pour ce qui est de l'AMPA (Carles et al., 2019) qui en est en partie issu. Ces gammes de concentrations allant de 0,01 à près de 100 µg.L-1 de APPs sont probablement insuffisantes pour affecter la disponibilité d'éléments majeurs (Mn, Mg, Ca) mais peuvent avoir des conséquences significatives sur le comportement d'éléments traces métalliques dans les eaux comme le Cu. Enfin, ces molécules se retrouvent en compétition avec d'autres agents chélateurs « naturels », notamment des sidérophores comme deshydroxamates, catécholates et carboxylates (Ahmed et Holmström 2014), qui présentent généralement une affinité et stabilité plus élevée des complexes formés (Martens et al 2018).

d.Interaction entre le cuivre et le glyphosate, conséquences pour le périphyton d'eau douce

L'interaction entre ces deux contaminants et leurs effets sur des organismes aquatiques a été partiellement étudiée auparavant dans la littérature en s'intéressant notamment à la co-sorption dans des algues marines (Ulva lactuca) (Trinelli et al. 2013), ou aux effets combinés sur les enzymes antioxydantes chez des macrophytes aquatiques (Salvinia natans) (Liu et al., 2019). Il ressort ainsi à ce jour assez peu de connaissances combinant l'étude simultanée des aspects physico-chimiques, en particulier dans les milieux aquatiques naturels, et les impacts à l'échelle de communautés de microorganismes dans ces mêmes milieux. C'est dans ce cadre-là que nous proposons d'aborder dans ce sujet de thèse le comportement du glyphosate et de l'AMPA avec un métal tel que le Cu, tant d'un point de vue de la physico-chimie (complexation, compétition avec d'autres ligands, et notamment la MOD) que des impacts intégrés à l'échelle de la communauté représentée ici par le biofilm d'eau douce.

-Il s'agit d'aborder les impacts combinés du cuivre et du glyphosate utilisés en tant que pesticides ;
-puis d'accroitre la complexité du milieu d'exposition avec l'introduction de matière organique et/ou d'autres ligands qui pourraient rentrer en compétition ;
-enfin, la biodisponibilité du métal serait abordée via des aspects toxicocinétiques (i.e. bioaccumulation) et toxicodynamique (i.e. structure de la communauté, fonctions et réponses adaptatives) en fonction de ses interactions avec les différents agents chélatants

Il est envisagé dans un premier temps des expérimentations selon des conditions abiotiques afin de déterminer les cinétiques d'échanges ainsi que les constantes de complexation observables entre le cuivre et des AAPs tels que le glyphosate et l'AMPA. Il est à noter que le ratio molaire entre le glyphosate et l'AMPA serait fixé autour de 1:100 afin de refléter les proportions fréquemment retrouvées in situ (Carles et al, 2019).
A la suite de cela, il est proposé de tester certaines des modalités précédentes afin d'étudier leur impact sur la biodisponiblité du cuivre vis-à-vis des organismes cibles (i.e. periphyton). Cette biodisponibilité serait abordée d'une part avec le dosage du métal effectivement bioaccumulé (en différenciant la part adsorbée sur la matrice exopolysaccharide (EPS) du biofilm et celle internalisée dans les cellules des microorganismes au moyen de lavages à l'EDTA, par ex.), ainsi que le glyphosate et l'AMPA potentiellement accumulés simultanément. Le ratio C/N/P serait en outre suivi car il est possible qu'une partie du glyphosate et/ou de l'AMPA soit assimilé par le compartiment hétérotrophe du biofilm, ce qui pourrait augmenter consécutivement la proportion de phosphore dans le biofilm.
Cette même biodisponibilté serait aussi abordée au travers d'aspects toxicodynamiques - en suivant les impacts potentiels sur l'évolution de la biomasse - ainsi que physiologiques - comme la production de chlorophylle a, la peroxydation lipidique ou encore l'évolution dose-réponse de l'activité photosynthétique. Enfin, l'évolution structurelle de la communauté serait abordée au travers de l'analyse des lipides, en particulier les acides gras représentatifs des différents groupes algaux (par ex. acide eicosapentaénoïque chez les diatomées) ou la fluorescence de pigments spécifiques de certains groupes algaux.
Les expositions de biofilms au Cu et aux AAPs seraient menées sur des périodes allant de 2 à 4 semaines, afin de reproduire des conditions chroniques, suivant des modalités contrôlées de température, lumière et vitesse de courant, lors de la réalisation de microcosmes (i.e. canaux reproduisant artificiellement un milieu lotique comme une rivière). L'idée serait à nouveau ici d'augmenter progressivement la complexité et la représentativité des conditions d'exposition en introduisant des facteurs de compétition ou de modulation de la complexation du cuivre et donc de sa biodisponibilité. Dans les microcosmes, la fraction libre du cuivre (sous forme d'ion libre Cu2+ en solution), correspondant à la fraction biodisponible et effective du métal, pourra être quantifiée par une technique séparative basée sur membrane à échange de cations, la Donnan Membrane Technique (Kalis et al. 2006).