Pesticides: décontaminer l’eau à l’aide du soleil

Une équipe de chercheurs québécois vient de mettre au point un procédé écologique pour dégrader l’atrazine dans l’eau. Classé comme étant le pesticide « le plus à risque » par le ministère de l’Environnement, ce produit chimique est omniprésent dans les rivières agricoles du Québec. On le retrouve aussi dans l’eau potable de millions de personnes au pays.

Le professeur My Ali El Khakani tend une grille métallique vers la lumière du plafond de son laboratoire et la bascule légèrement de gauche à droite. Entre les alvéoles, de subtils reflets verts se dévoilent à l’œil attentif.

Il s’agit de dioxyde de titane « codopé » à l’azote et au tungstène, ou TiO₂ : N,W en nomenclature chimique.

Ce nanomatériau a été inventé dans les installations de Varennes de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS). Il est la pierre angulaire d’un nouveau procédé qui vise à dégrader l’atrazine dans l’eau, molécule qui, dépendamment des situations, peut survivre de 30 à 600 jours dans l’environnement.

En combinant le TiO₂ : N,W à la lumière du soleil ainsi qu’à une charge électrique, les chercheurs sont parvenus à éliminer une part importante de l’atrazine dans l’eau : de 40 à 60 %, selon les scénarios.

Ce qui rend leur découverte encore plus prometteuse, c’est que les chercheurs sont en mesure de croire que le procédé pourrait agir efficacement sur plusieurs autres pesticides.

La création d’un nouveau matériau est un exploit scientifique en soi. Elle est encore plus significative si ce matériau a une utilité. Et parfois, pour faire avancer la science, mieux vaut ne pas rester isolé dans son labo.

C’est ainsi que le professeur My Ali El Khakani, expert en matériaux nanostructurés du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS, situé à Varennes, et le professeur Patrick Drogui, du Centre Eau Terre Environnement de l’INRS, à Québec, ont uni leurs forces. 

« En travaillant ensemble, et en capitalisant sur nos expertises complémentaires, on est arrivés à développer un procédé de traitement des eaux auquel on ne serait jamais arrivés séparément », souligne le professeur El Khakani.

Comment ça fonctionne ?

Les tests ont été menés dans des bassines en laboratoire. Les chercheurs ont utilisé un procédé de traitement des eaux appelé photo-électro-catalyse (PEC).

Dans ce procédé, deux électrodes sont plongées dans le réservoir : une photoanode recouverte de TiO₂ : N,W et une cathode à base de carbone.

Une lampe qui imite les rayons du soleil a été placée vis-à-vis une paroi vitrée. Les électrodes ont ensuite été soumises à un courant électrique tout en étant exposées à la lumière.

Ce qui rend ce matériau de la photoanode intéressant, c’est qu’il est fait à base de dioxyde de titane, produit abondant au Québec, la province recelant de mines de ce produit. Le dioxyde de titane est le pigment blanc que l’on retrouve dans les peintures et les crèmes solaires.

Le dioxyde de titane a ensuite été modifié à l’échelle atomique afin d’y incorporer des atomes d’azote et de tungstène.

Ce « boost » atomique rend le dioxyde de titane sensible à une importante portion de la lumière visible du spectre solaire, plus précisément jusqu’à la couleur verte, d’où la couleur finale du matériau. Le dioxyde de titane classique n’absorbe que la partie UV du soleil, ce qui représente à peine 5 % de l’irradiance solaire.

Il serait donc possible d’appliquer la technologie en bassins ouverts. Bien que l’on retrouve de l’atrazine dans l’eau potable de nombreuses municipalités québécoises, les concentrations mesurées dans les cours d’eau à moindre débit – comme les rivières agricoles des secteurs où l’on cultive intensivement le maïs – sont plus préoccupantes.

« Dans les eaux municipales, l’on retrouve de petites concentrations et d’énormes volumes à traiter alors que si on intervient à la source, on a des volumes plus petits et des concentrations plus élevées ; on peut plus facilement déployer ce type d’unité », explique le professeur Drogui. « Aujourd’hui, nous privilégions davantage les traitements à la source parce que la pollution y est ponctuelle et moins diffuse, donc elle est facilement accessible. »

Une approche écologique

La technologie utilise aussi l’électricité, très abordable au Québec. Sous l’effet de la lumière et d’un potentiel électrique, le procédé PEC génère des radicaux libres, qui interagiront par la suite et dégraderont les molécules d’atrazine.

« Nous sommes en mesure de croire que notre approche pourrait être utilisée pour dégrader d’autres pesticides, tels que le glyphosate et les néonicotinoïdes. Pourquoi ? Les radicaux libres générés lors du procédé PEC sont non sélectifs et donc capables de réagir sur la quasi-totalité des composés organiques, tels que les pesticides », explique M. Drogui.

L’herbicide glyphosate et les insecticides de la famille des néonicotinoïdes sont des pesticides utilisés à grande échelle au Québec.

L’autre avantage du procédé, c’est qu’il est écologique. D’autres méthodes pour dégrader l’atrazine dans l’eau existent, mais elles recourent à des produits chimiques qui peuvent laisser des sous-produits toxiques dans l’environnement.

« Donc, c’est comme si l’on change quatre trente sous pour une piasse ! On règle un problème, mais on se retrouve avec un autre qui est peut-être moins nocif, mais qui est là, quand même ! » explique le professeur El Khakani.

Les résultats

Les chercheurs ont d’abord utilisé des échantillons d’eau déminéralisée qui contenait de l’atrazine synthétique. Les résultats étaient impressionnants : 60 % du pesticide avait été dégradé.

Les chercheurs ont ensuite testé leur méthode avec de l’eau récupérée dans la rivière Nicolet, affluent du Saint-Laurent qui traverse une zone agricole en amont de Trois-Rivières.

En utilisant ces échantillons réels, seulement 8 % de l’atrazine était initialement éliminée. Sauf qu’en ajoutant des étapes préalables de traitements des eaux, comme la filtration, pour retirer les particules en suspension, ils sont parvenus à dégrader environ 40 % de l’atrazine retrouvée dans des échantillons d’eau réels.

Ces résultats viennent d’être publiés dans la revue scientifique Catalysis Today.

Avant de pouvoir déployer cette technologie sur le terrain, les chercheurs devront maintenant tester leur découverte dans des installations de type « préindustriel ».

Qu’est-ce que l’atrazine ?

Selon SAgE pesticides, outil de référence développé par le gouvernement du Québec, l’atrazine a démontré une « toxicité endocrinienne et neurotoxique lors d’études animales ». Selon certaines recherches, cette toxicité aurait des conséquences sur la reproduction et le développement. Au Québec, l’atrazine est un herbicide utilisé dans les monocultures de maïs-grain, deuxième culture en importance au chapitre de la superficie après le foin. Au cours des dernières années, il a été détecté à maintes reprises dans des cours d’eau du Québec à des concentrations qui menacent la vie aquatique. Comme il est classé comme l’un des cinq pesticides les plus « à risque » par le gouvernement du Québec, les agriculteurs doivent maintenant obtenir une ordonnance d’un agronome avant de pouvoir en appliquer dans leurs champs. L’entrée en vigueur de cette nouvelle exigence a permis de faire fondre d’environ 40 % les ventes d’atrazine au Québec. En 2017, environ 138 000 kg d’atrazine (ingrédient actif) ont été vendus, contre environ 77 000 kg en 2018, rapporte le ministère de l’Environnement.

Dans l’eau potable aussi

Une étude récemment publiée dans le journal Science of the Total Environment par une équipe de chercheurs de l’Université de Montréal a décelé de l’atrazine dans l’eau potable de nombreuses municipalités du Québec. Bien que tous les échantillons recueillis aient présenté des concentrations maximales 25 fois en deçà des normes canadiennes, 48 % dépassaient les normes européennes, beaucoup plus sévères. D’ailleurs, la Commission européenne a interdit tous les usages du produit en 2004. À Montréal, 100 % des 450 échantillons recueillis en 2015-2016 étaient positifs, et près de la moitié dépassaient les normes européennes. L’équipe de chercheurs, dirigée par le professeur de chimie environnementale Sébastien Sauvé, a détecté l’atrazine dans l’eau potable de Brossard, Longueuil, Chambly, Saint-Bruno-de-Montarville et Salaberry-de-Valleyfield, notamment.