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Simulations à l’échelle atomique pour l’étude de l’interaction des pesticides avec la matière minérale du sol

Bastien Belzunces, Fabienne Bessac, Jérôme Cuny, Sophie Hoyau ; Collaborations : M. Benoit et N. Tarrat (CEMES)

Quand un pesticide est appliqué au champ, une fraction plus ou moins grande atteint le sol en fonction de plusieurs facteurs. Ces facteurs sont soit inhérents au produit : sa fonction et son mode d’application (herbicides, fongicides, fertilisants, etc), ses propriétés physico-chimiques (volatilité, solubilité, etc) ; soit indépendant comme le temps lors de l’application. Les substances qui atteignent le sol rencontrent les quatre composants essentiels du sol : sa partie minérale (ou inorganique), la solution du sol (eau, macromolécules organiques solubles et ions), la fraction organique (macromolécules insolubles et bactéries) et sa partie gazeuse (essentiellement de l’air). Les proportions relatives de ces quatre composants varient avec le type de sol et les conditions climatiques.

Nous avons, tout d’abord, étudié l’atrazine, un herbicide chimique comportant un groupement triazine. Cet herbicide a été modélisé en interaction avec des cations échangeables du sol Na+ et Ca2+ à l’aide de la DFT (fonctionnelle B3LYP), la théorie des perturbations Moller-Plesset (MP2), la méthode Couple Cluster (CCSD(T)) et les interactions de Configurations (CISD) en Orbitales Localisées.

Figure 1. Représentation des systèmes Montmorillonite-atrazine (gauche) et Pyrophyllite-atrazine (droite). Systèmes optimisés au niveau PBE-D2. Les structures sont présentées le long de la direction "b".
Figure 1. Représentation des systèmes Montmorillonite-atrazine (gauche) et Pyrophyllite-atrazine (droite). Systèmes optimisés au niveau PBE-D2. Les structures sont présentées le long de la direction "b".

Dans une deuxième partie, nous avons commencé à modéliser la partie minérale du sol par une surface d’argile. L’argile sélectionnée est une Montmorillonite, principal constituant des argiles gonflantes. En agriculture, leurs caractéristiques sont appréciées car elles limitent l’irrigation artificielle en augmentant les réserves d’eau libres d’un sol cultivé.

Une montmorillonite est constituée de feuillets eux-mêmes formés de trois couches : une couche d’octaèdres entre deux couches de tétraèdres formés par les atomes d’oxygène. Un tiers des positions octaédriques est occupé par un ion Al3+, les autres sont vides. Les positions tétraédriques sont toutes occupées par un cation Si4+. Naturellement, des substitutions sont possibles dans chaque couche : Al3+ peut être substitué par Mg2+ et Si4+ par Al3+. Les substitutions sont plus nombreuses dans la couche d’octaèdre. Le déficit de charge résultant de ces substitutions est compensé par l’ajout de cations dans l’espace inter-feuillets. Nous avons construit la montmorillonite à partir de la pyrophyllite en considérant seulement les substitutions majoritaires (couche octaèdre). Ainsi, nous avons étudié l’interaction de l’atrazine avec la surface de montmorillonite en présence de cations Ca2+. Pour décrire correctement la surface, des calculs de DFT périodique en ondes planes ont été effectués.

[1] F. Bessac, S. Hoyau, Computational and Theoretical Chemistry 1022, 6, (2013).
[2] F. Bessac, S. Hoyau, Computational and Theoretical Chemistry 966, 284, (2011).
[3] N. Ben Amor, F. Bessac, S. Hoyau, D. Maynau, J. Chem. Phys. 135, 014101, (2011).
[4] P. Clausen, W. Andreoni, A. Curioni, E. Hughes, C. J. G. Plummer, J. Phys. Chem. C 113, 12293, (2009).