SYSTEMES A LIBERATION CONTROLEE DES PESTICIDES

CHAPITRE III
SYSTEMES A LIBERATION CONTROLEE DES PESTICIDES
En agriculture, l’application conventionnelle des pesticides est effectuée soit par épandage, soit
par vaporisation selon la nature du produit utilisé. Juste après l’application la concentration du
principe actif diminue à cause des phénomènes d’absorption par les plantes, de volatilisation,
du lessivage et de dégradation. Ce comportement entraîne une perte d’efficacité et des risques
de transfert vers les milieux aquatiques. Par ailleurs, tout l’environnement d’une surface donnée
est exposé au pesticide même si les ennemies des cultures, n’occupent qu’une partie de cet
environnement. Ce facteur ajouté à la grande quantité nécessaire pour lutter contre les
mauvaises herbes entraîne en général la destruction d’autres modes de vie et des effets
indésirables dans la chaîne alimentaire.
Ces dernières décennies il y a eu un conflit entre la nécessité absolue des pesticides dans les
domaines d’agriculture et la santé publique et le besoin humain d’un environnement sain et sans
produits toxiques. La technologie récente des systèmes à libération contrôlée des pesticides
peut améliorer la situation. Le terme libération contrôlée désigne les formulations qui
permettent la libération lente et continue du principe actif à l’interface environnementale. Cette
nouvelle technologie a pour avantage la réduction de la quantité du pesticide ajouté à
l’environnement, la réduction des risques de contamination des utilisateurs et le prolongement
de la durée de vie du principe actif et donc son efficacité (Cardarelli 1976). En outre, les
méthodes de la libération contrôlée apparaissent essentielles pour l’utilisation pratique des
phéromones et des régulateurs de la croissance des insectes.
Chapitre III: Systèmes à libération contrôlée des pesticides
L’objectif principal du développement des systèmes à libération contrôlée des pesticides est le
contrôle du taux de relargage du principe actif afin de garder sa biodisponibilité temporaire à
un seuil optimal. La situation est schématisé sur la figure III-1
Idéalement, le pesticide doit être libéré à un taux suffisant pour lutter contre les ravageurs qui
portent atteinte aux ressources végétales, mais assez lent pour éviter la phytotoxicité de la
récolte. Par ailleurs, un taux effectif de pesticide doit être disponible pendant quelques
semaines pour éviter, d’une part, les applications répétées qui sont parfois nécessaires dans le
cas des formulations conventionnelles et d’autre part, réduire la dissipation du pesticide dans
d’autres compartiments de l’environnement.
Figure III-1: Profil de la libération d’un herbicide dans le sol
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Chapitre III: Systèmes à libération contrôlée des pesticides
I- Classification des formes à libération contrôlée
Les formes à libération contrôlée (FLC) peuvent être classées en différentes catégories. On
distingue principalement deux familles, les formes membranaires et les formes matricielles. Ces
dernières sont les plus utilisées dans la technologie de la libération contrôlée des pesticides vu
leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût (Senhaji 1996).
I.1- Formes membranaires
La forme est constituée d’un réservoir contenant une suspension de l’agent actif dans un
solvant entouré d’une membrane poreuse ou dense. Une libération de l’agent actif dépend de
la nature de la membrane, notamment de la porosité.
Le profil de libération de la substance active du système d’encapsulation est schématisé dans
la figure III-2.
Figure III-2: Profil de libération d’une substance active à partir d’une forme membranaire
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Chapitre III: Systèmes à libération contrôlée des pesticides
I.2- Formes matricielles
Dans ce cas, l’agent actif est dispersé dans un polymère jouant le rôle de matrice. Les
systèmes matriciels peuvent être divisés en trois catégories selon le mécanisme par lequel le
principe actif est libéré:
I.2.1- Libération due à une simple diffusion de l’agent actif
Dans ce cas, l’agent actif à une mobilité à l’intérieur du système et sa libération dépend de sa
solubilité dans le milieu environnent par rapport à sa solubilité dans la matrice. La cinétique de
libération présente un profil comme représenté ci-dessous (Figure III-3):
Figure III-3: Profil de la cinétique de libération
I.2.2- libération induite par l’intervention d’agents environnants
Dans ce cas l’agent actif est introduit dans la matrice par établissement de liaisons chimiques
ou par simple dispersion. La libération est due à une pénétration d’agents environnants tels que
l’eau entraînant des réactions chimiques pour libérer la substance active ou une plastification
de la matrice pour permettre une diffusion des molécules dispersées dans la matrice. Cette
dernière reste physiquement intacte.
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Chapitre III: Systèmes à libération contrôlée des pesticides
I.2.3- Libération due à une érosion de la matrice
L’agent chimique est libéré suite à une érosion de la matrice par le milieu environnant soit par
des processus physiques (mise en suspension) soit par des processus chimiques
(dissolution).La cinétique de libération n’est pas aussi simple, elle dépend de la nature du
polymère et de la géométrie de la forme.
Une large variété de polymères et copolymères ont été utilisés dans plusieurs formulations de
formes et de dimensions variables (Pepperman et Kuan 1995, Wienhold and Gish 1992, Gish
et al. 1994, Mogul et al. 1996, Pradas et al. 1999-a et 1999-b).
Le choix de la forme à libération contrôlée est dicté par les critères suivants:
•
Compatibilité avec l’environnement: non toxicité.
•
Courte durée de vie: dégradation sous forme de résidus non toxiques.
•
Faible mobilité dans le sol
•
Facilité de manipulation
•
Faible coût
II- Formes à libération contrôlée à base de polymères synthétiques
Différents polymères synthétiques peuvent être utilisés comme matrice des systèmes à
libération contrôlée (Bahadir and Korte 1987, Issa et al. 1990, D'Antone et al. 1992, Tefft
and Friend 1993, Akelah et al. 1994). Senhaji 1996 a étudié l’effet de deux systèmes à
libération contrôlée à base de deux différents types de polymères: la gélucire et le copolymère
d’ethylène-acétate de vinyle, sur la cinétique de libération, sur la photodégradation et sur
l’adsorption au sol de deux pesticides: 2,4-D et le chloridazone. Les résultats obtenus ont
montré que la libération des pesticides dépendait de la nature de pesticide, de la matrice, du
pH du milieu et de la température.
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Chapitre III: Systèmes à libération contrôlée des pesticides
III- Formes à libération contrôlée à base de polymères naturels
Les polymères naturels tels que l’alginate, la cellulose, l’amidon et la lignine sont abondants,
moins chers, faciles à manœuvrer, et surtout non toxiques et biodégradables présentant ainsi une
compatibilité avec l’environnement. Par conséquent, leur utilisation en tant que systèmes à
libération contrôlée des pesticides est un domaine qui a suscité un grand intérêt ces dernières
années (Cotterill et Wilkins 1996, Wilkins 1995, Pradas et al. 1999-a et 1999-b, Pérez et al.
2000). En effet, de nombreuses procédures de préparation de formulations à libération
contrôlée ont été mises au point. On cite à titre d’exemple: Encapsulation par l’alginate
(Connick 1982, Connick et al. 1984, Gan et al. 1994, Pepperman et Kuan 1993 et 1995,
Selim et al. 1998, Mc Gowen et al. 1998, Pérez 2000), encapsulation par l’amidon (Shasha et
al. 1976, Wing et al. 1987, 1988 et 1993, Wing 1989, Wienhold et Gish 1992, Wienhold et
al. 1993, Wienhold et Gish 1994, Mills et Thurman 1994, Chafik et al. 1998), dispersion de
principes actifs dans la lignine (Riggle et Pener, 1987, 1988, 1992 et 1994, Wilkins 1984¸ Ali
et Wilkins 1992, Zhao et Wilkins 1999).
III.1- FLC à base d'alginate
L’alginate est un polysaccharide que l’on trouve dans les algues sous forme d'alginate de
sodium, sel de l’acide alginique. La préparation des systèmes à libération contrôlée à base
d’alginate se fait en deux étapes: dissolution de l’alginate dans l’eau qui donne naissance à un
gel. Ensuite, le gel est précipité dans une solution de Ca2+. Cette précipitation est le résultat
d’un échange ionique entre les ions Na+ monovalents et les ions Ca2+ divalents.
Pepperman et al. 1991 ont décrit une série de préparation de matrices à base d’alginate qui
diffèrent par le taux de kaolin ajouté. Les taux de libération obtenus ne dépendent ni de la
nature de l’alginate ni des différents adsorbants organiques. Plus tard Pepperman et Kuan
1993 ont montré que l’incorporation de l’huile de lin réduit nettement le taux de libération de la
metribuzin.
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Chapitre III: Systèmes à libération contrôlée des pesticides
Gan et al. 1994 ont préparé des formulations de thiobencarb à base d’alginate-kaolin.
Différentes propriétés telles que la distribution, la bioaccumulation et la persistance du
thiobencarb à partir des formulations à libération contrôlée ont été comparés à celles des
formulations conventionnelles. Les auteurs ont noté une cinétique de libération dans l’eau
relativement lente et une faible accumulation dans les tissus de poisson.
Le même herbicide a été encapsulé dans Ca-alginate par Hussain et al. 1992, ils ont noté un
taux de libération très faible par rapport aux formulations conventionnelles.
III.2- FLC à base d'Amidon
L’amidon en tant que polymère naturel biodégradable, et aussi grâce à son abondance est un
excellent matériau pour l’élaboration des systèmes à libération contrôlée des pesticides. Des
formes à libération contrôlée à base d’amidon peuvent être obtenues par incorporation du
principe actif dans une dispersion aqueuse d’amidon gélatiné et ensuite en rendant l’amidon
insoluble par différentes méthodes: (Otey, 1985).
Ø Une dispersion alcaline d’amidon réagit avec le bisulfure de carbone pour former le
xanthate. Les pesticides sont émulsionnés dans cette dispersion ensuite un oxydant est
ajouté pour transformer le xanthate en xanthide insoluble (Otey 1985).
S
Amidon-OCSNa (Xanthate)
Amidon-OH + CS2 + NaOH
S S
S
(O)
Amidon-OCSSCO-Amidon (Xanthide)
Amidon-OCSNa
Ø Une dispersion alcaline d’amidon contenant le pesticide est précipitée dans une solution de
chlorure de calcium ou une solution d’acide borique (Shasha et al. 1981, Trimnell et al.
1981, Trimnell et al. 1982).
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Chapitre III: Systèmes à libération contrôlée des pesticides
Trimnell et Shasha 1988 ont développé une autre méthode pour la dispersion des pesticides
dans l’amidon. Les pesticides sont incorporés à sec dans une matrice solide à base d’amidon
pré-gélatiné ou non mais contenant un agent gélifiant.
D’autres travaux ont été réalisés pour montrer les facteurs influençant la cinétique de libération
des pesticides à partir de formulations à base d’amidon, ainsi que l’effet de ces formulations sur
la mobilité des pesticides dans le sol. Wienhold et Gish. 1992 ont réalisé des études au
laboratoire pour mieux comprendre comment l’eau, la température et l’activité microbienne du
sol influencent le taux de la libération de l’atrazine et de l’alachlore à partir des matrices à base
d’amidon. En 1994, les mêmes auteurs ont mis en évidence la relation entre le temps
nécessaire à la libération totale du principe actif à partir des matrices à base d’amidon et sa
solubilité dans l’eau.
D’autres études réalisées par Schreiber et al. 1993, sur l’effet de la dispersion de l’atrazine
dans des matrices à base d’amidon sur le lessivage ont révélé une réduction du mouvement de
l’atrazine de 70% dans un sol sableux et dans un sol argileux en comparaison avec les
formulations conventionnelles.
Gish et al. 1994 ont montré que l’encapsulation de l’atrazine dans l’amidon a rendu ce
pesticide plus persistent est moins mobile que dans le cas de la formulation commerciale
d'atrazine. Alors que dans le cas de l’alachlore, la différence entre la formulation
conventionnelle et à libération contrôlée n’était pas significative. Pour la mobilité il n’y avait pas
de différence à cause de la libération rapide de l’alachlore à partir des granules d’amidon.
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