Evaluation des pratiques d'irrigation, de fertilisation et d'application de pesticides dans l'agriculture périurbaine de Dakar, Sénégal

RESUMEL'agriculture urbaine et périurbalne - nommée ci-après AU - est un thème fort de recherche transversale, au vu des nombreux enjeux économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle locale, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée sans porter atteinte à la santé et à l'environnement.Une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans ie sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.L'évaluation des impacts de l'irrigation avec des eaux usées brutes et des eaux de nappe saumâtres sur la qualité des sols (chapitre 2) a montré que l'alcalinité et les teneurs en calcium élevées des eaux saumâtres induisent la précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol. Na remplace consécutivement Ca sur le complexe argilo-humique du sol et les bicarbonates diminuent dans la solution du sol. Le carbone organique dissout (COD) augmente significativement dans la solution du sol et dans la nappe sous-jacente. Malgré l'alcalinité et les teneurs très élevées en calcium des eaux usées, il y a peu de précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol et une faible augmentation du sodium échangeable ESP. La nitrification de l'ammonium des eaux usées (moy 190mg/L à Pikine) produit des protons, qui ne sont plus tamponnés par les bicarbonates exportés hors du profil. Il y a alors une nette baisse de pH des sols irrigués par des eaux usées non traitées. Les sols irrigués par des eaux usées et saumâtres stockent moins de C et Ν que les sols de référence.L'évaluation de l'influence de l'occupation des sols en zone périurbaine sur à la nappe phréatique peu profonde (chapitre 3) a permis de déterminer les traceurs représentatifs de l'occupation du sol, à savoir Br/CI, NO3/CI et δ180-Ν03 pour l'irrigation par des eaux usées, pH et δ15Ν-Ν03 pour l'irrigation par des eaux de nappe, et Rb+Cr et Κ pour les lixiviats de fosses septiques. Ce chapitre a mis en évidence des points importants de la dynamique de l'azote en zone périurbaine sous deux occupations du sol : (1) la dénitrification est un processus important dans l'agrosystème périurbain de Dakar en bas de dune, dans les gleysols où l'on trouve des conditions temporairement réduites et un substrat organique favorables aux microorganismes de la dénitrification. Les teneurs en nitrates sont presque nulles avec irrigation d'eau de nappe. (2) en bas de pente, mais avec irrigation quotidienne par les eaux usées, l'apport continu d'ammonium inhibe probablement la dénitrification, mais favorise la volatilisation. (3) la nitrification de l'ammonium dans la nappe lors de la lixiviation des fosses septiques se distingue de la nitrification de l'ammonium dans la zone non saturée dans la zone d'agriculture périurbaine par la composition isotopique de l'oxygène de l'eau. Une comparaison des flux d'azote entre l'agrosystème et les quartiers périurbains de Dakar (chapitre 4) ont révélé que ces derniers étaient du même ordre de grandeur par unité de surface, à savoir 2-4 tonnes Ν /ha/an.L'évaluation des flux de pesticides dans l'agrosystème et des risques induits pour les eaux souterraines (chapitre 5) a révélé un fiux total de pesticides de 60kg/ha/an, totalisant 15 matières actives. Seules deux de ces matières actives sont autorisées par le comité des pesticides sahélien. Les pesticides les plus utilisés par les producteurs sont l'organochloré dicofol, les organophosphorés methamidophos, dimethoate et fenithrotion ainsi que le cabamate methomyl. Les flux les plus importants sont de 9 à 7 kg/ha/an (methomyl, methamidophos, ethoprophos et dicofol). Les pesticides qui présentent un risque élevé de contamination des eaux souterraines et qui devraient être prioritaires pour un suivi analytique sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, une meilleure gestion de la fertilisation est nécessaire dans la zone d'AU de Dakar, afin de (1) réduire les pertes gazeuses qui contribuent à l'effet de serre, (2) de ralentir la minéralisation du carbone et de l'azote organiques pour créer un stock de C et Ν dans ces sols, (3) de limiter le lessivage dans la nappe et enfin, 4) d'augmenter l'efficacité d'utilisation de Ν par les plantes. Une optimisation de l'irrigation devrait limiter l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et les mares permanentes.ABSTRACTUrban and periurban agriculture (UA) is an important issue in southern countries, because of its key role in their social and economical development and its environmental concern. The goal of this study was to contribute to a better understanding of pollutant transfer and nutrient cycling at the local scale, in order to implement the necessary improvements to guarantee the sustainability of this practice.An approach based on geochemical processes occurring in the vadose zone from the surface down to the groundwater level was chosen, at the scale of cultivated plots and at the regional scale of Dakar periurban areas, to determine the influence of land use.The assessment of irrigation with untreated domestic wastewater and brackish water on soil quality (chapter 2) showed: (1) that the high alkalinity and calcium contents of brackish water induce CaC03 precipitation in the top layer of the soil and therefore a replacement of Ca by Na on the clay- humic complexes, strongly marked during the dry season. Dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the soil solution and in the underlying groundwater. (2) in spite of the similarly high alkalinity and Ca contents of waste water, there is only little CaC03 precipitation and a low increase of the percentage of exchangeable sodium (ESP) in the soil top layer. The nitrification of the ammonium of wastewater (mean 190 mg/L in Pikine) produces protons, which are not any more buffered by bicarbonates exported out of the soil profile, which leads to a net decline of soil pH. Both soils irrigated with untreated wastewater and brackish water store less of C and Ν than soils irrigated with non saline groundwater.The assessment of the impact of land use on the shallow groundwater (chapter 3) allowed determining representative tracers of the land use. Low Br/CI ratio, high NO3/CI ratio and low δ1βΟ- nitrate indicated the influence of wastewater; high pH and high 515N-nitrates indicated the influence of brackish water together with high amendments of organic fertilizers; high Rb+Cr and Κ indicated the influence of poor sanitation facilities in periurban districts (septic tank leakage). This chapter also pointed out the following facts about the nitrogen dynamics : (1) denitrification is a key-process in the Dakar UA agrosystem in the gleysols irrigated with groundwater. The underlying groundwater is almost nitrate free. (2) in the Gleysols irrigated with waste water, ammonium inhibits denitrification but facilitate ammoniac volatilization. A comparison of nitrogen balance between the UA agrosystem and the periurban districts of Dakar (chapter 4) revealed similar flows per surface unit, namely 2-4 tons Ν / ha / year.The evaluation of pesticides use in the UA agrosystem and the risk assessment for the groundwater (chapter 5) revealed a total flow of pesticides of 60kg / ha / year, totalizing 15 active substances. Only two of these are authorized by the Sahelian Pesticides Committee. The most used pesticides are dicofol (organochlorinated), methamidophos, dimethoate and fenithrotion (organophosphate) as well as methomyl. (carbamate). The most important flows vary between 9 to 7 kg / ha / year. Pesticides with a high risk of groundwater contamination - according to SIRIS and EPRIP 2 indicators - are: carbofuran, dimethoate, ethoprophos and methomyl. These substances should be established as a priority for an analytical follow-up in the different environmental compartments.In conclusion, a better management of the fertilization is necessary in the Dakar UA, (1) to reduce the gaseous losses which contribute to greenhouse emissions (2) to slow down the mineralization of the organic carbon and the nitrogen, in order to enhance the C and Ν stock in these soils, (3) to limit the nitrate leaching in the groundwater and finally, 4) to increase the N-use efficiency of plants. An optimization of the irrigation scheme should limit the secondary sodisation if coupled with an increase the stable organic matter of the soil. An integrated or biologic crop pest strategy is urgently needed to minimize risks with respect to ground and surface water (ponds used for fishing).RESUME LARGE PUBLICL'agriculture mondiale connaît actuellement une crise majeure, affectée par les changements climatiques, la sécurité alimentaire et les dégradations de l'environnement. Elle n'a plus le rôle unique de produire, mais devient un élément essentiel de la protection des ressources naturelles et du paysage. Les politiques agricoles basées sur les marchés mondiaux devront se réorienter vers une agriculture locale basée sur le développement durable.La production alimentaire située dans l'enceinte des villes, nommée agriculture urbaine ou périurbaine (AU ci-après) joue un rôle important dans le contexte actuel d'accroissement de la population et de la pauvreté urbaines. L'AU concerne en effet la majorité des mégapoies du monde, fait vivre plus de 200 millions de personnes dans les pays du Sud, fournit jusqu'à 80% de la demande urbaine en certains produits frais, fait barrière à l'extension urbaine et permet un recyclage de certains déchets urbains. L'AU a pour particularité d'être à cheval entre des politiques rurales et urbaines, d'où un délaissement ce cette activité au secteur informel. Ce qui a développé de nombreuses stratégies à risques, comme à Dakar, où les petits producteurs périurbains irriguent quotidiennement avec des eaux usées domestiques par manque d'accès à une eau de bonne qualité et pour raccourcir les cycles de production. L'extrême précarité foncière des acteurs de l'AU de Dakar les empêchent d'investir à long terme et induit des pratiques inadéquates d'irrigation, d'usage de pesticides et de fertilisation de ces sols sableux.L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle des parcelles cultivées par des eaux usées et des eaux saumâtres, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée et surtout maintenue sans porter atteinte à la santé et à l'environnement. Pour cela, une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans le sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.Les résultats principaux de cette étude ont montré que (1) il y a un processus de salinisation anthropique des sols (sodisation) lors d'irrigation avec des eaux de nappe saumâtres, un processus accentué en saison sèche et lors d'années à pluviométrie déficitaire. Bien que les eaux usées soient aussi salines que les eaux de nappe, la salinisation des sols irrigués' par des eaux usées est limitée par l'ammonium présent dans les eaux usées (moy 190mg NH4/L à Pikine) qui produit de l'acidité lors de la transformation en nitrates dans le sol (nitrification). (2) les sols irrigués par des eaux usées (EU) stockent moins de C et Ν que les sois de référence, ce qui montrent bien que l'azote des eaux usées n'est pas disponible pour les plantes, mais est lessivé dans la nappe (100 à 450 mg/L N03 sous irrigation par EU, alors que la limite de OMS est de 50mg/L). (3) l'utilisation des isotopes stables des nitrates et des éléments traces, notamment le bore et le brome, ont permis de distinguer l'influence de l'irrigation par des eaux usées, de l'irrigation par des eaux de nappe et des lixiviats de fosses septiques sur les propriétés de la nappe. (4) Le processus de la dénitrification (atténuation naturelle des concentrations en nitrates de la nappe par biotransformation en azote gazeux) est important dans les zones basses de l'agrosystème périurbain de Dakar, sous irrigation par eaux naturelles (ΝΟ3 < 50mg/L). Tandis que sous habitat sans assainissement adéquat, les nitrates atteignent 300 à 700 mg/L. (5) Le flux total de pesticides dans l'AU est énorme (60kg/ha/an) totalisant 15 pesticides, dont deux seulement sont autorisés. Les pesticides les plus utilisés sont des insecticides organophosphorés et organochlorés classés extrêmement dangereux à dangereux par l'OMS, appliqués à des doses de 2 à 9 kg/ha/an. Les pesticides qui ont montré un risque élevé de contamination des eaux souterraines avec les indicateurs SIRIS et EPRIP2 sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, nous recommandons la reconstitution d'un horizon superficiel des sols riche en matière organique stable et structuré par production locale de compost. Cette mesure réduira les pertes gazeuses contribuant à l'effet de serre, augmentera le stock de Ν dans ces sols, alors utilisable par les plantes et permettra de diminuer l'irrigation car la capacité de rétention de l'eau dans le sol sera accru, ce qui limitera le lessivage des nitrates dans la nappe et l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et lesmares permanentes.

Application of direct-infusion ESI-MS/MS for toxicological screening.

BACKGROUND: Direct-infusion ESI-MS/MS is a powerful approach for the identification of substances in complex mixtures. The aim of this work was to investigate its applicability to the toxicological screening of blood samples. A simple protein precipitation was used, followed by a 15 min infusion of the extract in the mass spectrometer. RESULTS: The application of the procedure to commercial quality controls and authentic post-mortem blood samples demonstrated that the direct-infusion ESI-MS/MS approach enables the simultaneous identification of substances that require different chromatographic conditions. However, poor sensitivity was observed for benzodiazepine, amphetamines and opiate compounds. CONCLUSION: Considering the facile implementation and positive performance of direct-infusion ESI-MS/MS, this approach may to be a valuable complementary technique for systematic toxicological analysis procedures.

Bacterial sensors: synthetic design and application principles

Bacterial reporters are live, genetically engineered cells with promising application in bioanalytics. They contain genetic circuitry to produce a cellular sensing element, which detects the target compound and relays the detection to specific synthesis of so-called reporter proteins (the presence or activity of which is easy to quantify). Bioassays with bacterial reporters are a useful complement to chemical analytics because they measure biological responses rather than total chemical concentrations. Simple bacterial reporter assays may also replace more costly chemical methods as a first line sample analysis technique. Recent promising developments integrate bacterial reporter cells with microsystems to produce bacterial biosensors. This lecture presents an in-depth treatment of the synthetic biological design principles of bacterial reporters, the engineering of which started as simple recombinant DNA puzzles, but has now become a more rational approach of choosing and combining sensing, controlling and reporting DNA 'parts'. Several examples of existing bacterial reporter designs and their genetic circuitry will be illustrated. Besides the design principles, the lecture also focuses on the application principles of bacterial reporter assays. A variety of assay formats will be illustrated, and principles of quantification will be dealt with. In addition to this discussion, substantial reference material is supplied in various Annexes.

Protein-ligand binding free energy estimation using molecular mechanics and continuum electrostatics. Application to HIV-1 protease inhibitors.

A method is proposed for the estimation of absolute binding free energy of interaction between proteins and ligands. Conformational sampling of the protein-ligand complex is performed by molecular dynamics (MD) in vacuo and the solvent effect is calculated a posteriori by solving the Poisson or the Poisson-Boltzmann equation for selected frames of the trajectory. The binding free energy is written as a linear combination of the buried surface upon complexation, SASbur, the electrostatic interaction energy between the ligand and the protein, Eelec, and the difference of the solvation free energies of the complex and the isolated ligand and protein, deltaGsolv. The method uses the buried surface upon complexation to account for the non-polar contribution to the binding free energy because it is less sensitive to the details of the structure than the van der Waals interaction energy. The parameters of the method are developed for a training set of 16 HIV-1 protease-inhibitor complexes of known 3D structure. A correlation coefficient of 0.91 was obtained with an unsigned mean error of 0.8 kcal/mol. When applied to a set of 25 HIV-1 protease-inhibitor complexes of unknown 3D structures, the method provides a satisfactory correlation between the calculated binding free energy and the experimental pIC5o without reparametrization.

Application in the STRATHE trial of a score system to compare the efficacy and the tolerability of different therapeutic strategies in the management of hypertension

A score system integrating the evolution of efficacy and tolerability over time was applied to a subpopulation of the STRATHE trial, a trial performed according to a parallel group design, with a double-blind, random allocation to either a fixed-dose combination strategy (perindopril/indapamide 2 mg/0.625 mg, with the possibility to increase the dose to 3 mg/0.935 mg, and 4 mg/1.250 mg if needed, n = 118), a sequential monotherapy approach (atenolol 50 mg, followed by losartan 50 mg and amlodipine 5 mg if needed, n = 108), or a stepped-care strategy (valsartan 40 mg, followed by valsartan 80 mg and valsartan 80 mg+ hydrochlorothiazide 12.5 mg if needed, n = 103). The aim was to lower blood pressure below 140/90 mmHg within a 9-month period. The treatment could be adjusted after 3 and 6 months. Only patients in whom the study protocol was strictly applied were included in this analysis. At completion of the trial the total score averaged 13.1 +/- 70.5 (mean +/- SD) using the fixed-dose combination strategy, compared with -7.2 +/- 81.0 using the sequential monotherapy approach and -17.5 +/- 76.4 using the stepped-care strategy. In conclusion, the use of a score system allows the comparison of antihypertensive therapeutic strategies, taking into account at the same time efficacy and tolerability. In the STRATHE trial the best results were observed with the fixed-dose combination containing low doses of an angiotensin enzyme converting inhibitor (perindopril) and a diuretic (indapamide).

Whole-cell living biosensors--are they ready for environmental application?

Since the development of the first whole-cell living biosensor or bioreporter about 15 years ago, construction and testing of new genetically modified microorganisms for environmental sensing and reporting has proceeded at an ever increasing rate. One and a half decades appear as a reasonable time span for a new technology to reach the maturity needed for application and commercial success. It seems, however, that the research into cellular biosensors is still mostly in a proof-of-principle or demonstration phase and not close to extensive or commercial use outside of academia. In this review, we consider the motivations for bioreporter developments and discuss the suitability of extant bioreporters for the proposed applications to stimulate complementary research and to help researchers to develop realistic objectives. This includes the identification of some popular misconceptions about the qualities and shortcomings of bioreporters.

General unknown screening procedure for the characterization of human drug metabolites: application to loratadine phase I metabolism.

This article describes the application of a recently developed general unknown screening (GUS) strategy based on LC coupled to a hybrid linear IT-triple quadrupole mass spectrometer (LC-MS/MS-LIT) for the simultaneous detection and identification of drug metabolites following in vitro incubation with human liver microsomes. The histamine H1 receptor antagonist loratadine was chosen as a model compound to demonstrate the interest of such approach, because of its previously described complex and extensive metabolism. Detection and mass spectral characterization were based on data-dependent acquisition, switching between a survey scan acquired in the ion-trapping Q3 scan mode with dynamic subtraction of background noise, and a dependent scan in the ion-trapping product ion scan mode of automatically selected parent ions. In addition, the MS(3) mode was used in a second step to confirm the structure of a few fragment ions. The sensitivity of the ion-trapping modes combined with the selectivity of the triple quadrupole modes allowed, with only one injection, the detection and identification of 17 phase I metabolites of loratadine. The GUS procedure used in this study may be applicable as a generic technique for the characterization of drug metabolites after in vitro incubation, as well as probably in vivo experiments.