Une nouvelle technologie du MIT permet aux pesticides de coller aux feuilles des plantes

Une nouvelle technologie du MIT permet aux pesticides de coller aux feuilles des plantes

AGDAILY Reporters*

Ma note : Je ne sais pas ce que cela vaut. En France, on préfère des plans Écophyto censés apporter la solution miracle...

La réduction de la quantité de produits de traitement agricoles utilisés par les agriculteurs pourrait diminuer le ruissellement polluant, tout en réduisant les coûts pour les agriculteurs et peut-être aussi en améliorant la productivité. (Photo : Varanasi Lab)

La réduction de la quantité de produits de traitement agricoles utilisés par les agriculteurs – y compris les engrais, les pesticides et les herbicides – pourrait réduire la quantité qui se retrouve dans l'environnement, tout en réduisant les coûts pour les agriculteurs et peut-être même en améliorant leur productivité. Un classique gagnant-gagnant-gagnant.

Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology et une entreprise dérivée qu'ils ont créée ont mis au point un système qui permet d'atteindre cet objectif. Leur technologie ajoute une fine couche autour des gouttelettes lorsqu'elles sont pulvérisées sur un champ, ce qui réduit considérablement leur tendance à rebondir sur les feuilles et à se perdre sur le sol. Au lieu de cela, les gouttelettes enrobées adhèrent aux feuilles comme c'est l'intention.

Cette recherche est décrite aujourd'hui dans la revue Soft Matter, dans un article rédigé par Vishnu Jayaprakash et Sreedath Panat, récemment diplômés du MIT, Simon Rufer, étudiant de troisième cycle, et Kripa Varanasi, professeur de génie mécanique au MIT.

Une étude récente a montré que si les agriculteurs n'utilisaient pas de pesticides, ils perdraient 78 % de leur production de fruits, 54 % de leur production de légumes et 32 % de leur production de céréales. Malgré l'importance des technologies permettant de contrôler et d'optimiser les pulvérisations, leur absence a contraint les agriculteurs à se fier à leur expérience personnelle et à des règles empiriques pour décider de la manière d'appliquer ces produits chimiques. En conséquence, ces produits ont tendance à être pulvérisés de manière excessive, ce qui entraîne un ruissellement et des produits qui se retrouvent dans les cours d'eau ou s'accumulent dans le sol.

Les pesticides ont un impact considérable sur la santé mondiale et l'environnement, soulignent les chercheurs. Des recherches ont montré que 31 % des sols agricoles dans le monde présentaient un risque élevé de pollution par les pesticides. De plus, les produits chimiques agricoles représentent une dépense importante pour les agriculteurs : aux États-Unis, ils dépensent 16 milliards de dollars par an en pesticides conventionnels et biologiques.

Rendre la pulvérisation plus efficace est l'un des meilleurs moyens de rendre la production alimentaire plus durable et plus économique. La pulvérisation agricole se résume essentiellement à mélanger des produits chimiques à de l'eau et à pulvériser des gouttelettes de cette eau sur les feuilles des plantes, qui sont souvent hydrophobes par nature.

« Au cours de plus d'une décennie de recherche dans mon laboratoire au MIT, nous avons acquis une compréhension fondamentale de la pulvérisation et de l'interaction entre les gouttelettes et les plantes, en étudiant le moment où elles rebondissent et tous les moyens dont nous disposons pour qu'elles adhèrent mieux et améliorent la couverture », explique M. Varanasi.

L'équipe avait déjà trouvé un moyen de réduire la quantité de liquide pulvérisé qui rebondit loin des feuilles, en utilisant deux buses de pulvérisation au lieu d'une et en pulvérisant des mélanges avec des charges électriques opposées. Mais ils ont constaté que les agriculteurs étaient réticents à assumer les dépenses et les efforts liés à la conversion de leur équipement de pulvérisation à un système à deux buses. L'équipe a donc cherché une solution plus simple.

Ils ont découvert qu'ils pouvaient obtenir la même amélioration de la rétention des gouttelettes en utilisant un système à buse unique qui peut être facilement adapté aux pulvérisateurs existants. Au lieu de charger électriquement les gouttelettes de pesticide, ils les recouvrent d'une couche extrêmement fine d'un matériau huileux.

Dans leur étude, les chercheurs du MIT ont mené des expériences en laboratoire avec des caméras à grande vitesse. Lorsqu'ils ont pulvérisé des gouttelettes sans traitement spécial sur une surface hydrophobe semblable à celle de nombreuses feuilles de plantes, les gouttelettes se sont d'abord étalées en un disque ressemblant à une crêpe, puis ont rebondi en boule et se sont éloignées. Mais lorsque les chercheurs ont recouvert la surface des gouttelettes d'une minuscule quantité d'huile – représentant moins de 1 % du liquide de la gouttelette – les gouttelettes se sont étalées et sont restées en place. Ce traitement a permis de multiplier par cent l'adhérence des gouttelettes.

« Lorsque ces gouttelettes touchent la surface et qu'elles se dilatent, elles forment un anneau d'huile qui les fixe essentiellement à la surface », explique M. Rufer. Les chercheurs ont essayé une grande variété de conditions, expliquant qu'ils ont mené des centaines d'expériences, « avec différentes vitesses d'impact, différentes tailles de gouttelettes, différents angles d'inclinaison, tous les éléments qui caractérisent pleinement ce phénomène ». Bien que l'efficacité des différentes huiles varie, elles sont toutes efficaces. « Indépendamment de la vitesse d'impact et des huiles, nous avons constaté que la hauteur de rebond était significativement plus faible », ajoute-t-il.

La technologie ajoute une fine couche autour des gouttelettes lorsqu'elles sont pulvérisées sur un champ, ce qui réduit considérablement leur tendance à rebondir sur les feuilles et à se perdre sur le sol. (Photos : Varanasi Lab).

L'effet fonctionne avec des quantités d'huile remarquablement faibles. Lors de leurs premiers essais, ils ont utilisé 1 % d'huile par rapport à l'eau, puis ils ont essayé 0,1 % et même 0,01 %. L'amélioration de l'adhérence des gouttelettes à la surface s'est maintenue à 0,1 %, mais a commencé à s'estomper au-delà. « Fondamentalement, ce film d'huile agit comme un moyen de piéger la gouttelette à la surface, car l'huile est très attirée par la surface et retient en quelque sorte l'eau en place », explique M. Rufer.

Lors de leurs premiers essais, les chercheurs ont utilisé de l'huile de soja pour le revêtement, pensant qu'il s'agissait d'un matériau familier pour les agriculteurs avec lesquels ils travaillaient, dont beaucoup cultivaient du soja. Mais il s'est avéré que même s'ils produisaient des graines, l'huile ne faisait pas partie de leur chaîne d'approvisionnement habituelle pour être utilisée à la ferme. Lors de tests supplémentaires, les chercheurs ont découvert que plusieurs produits chimiques que les agriculteurs utilisaient déjà régulièrement dans leurs pulvérisations, appelés surfactants et adjuvants, pouvaient être utilisés à la place, et que certains d'entre eux offraient les mêmes avantages en maintenant les gouttelettes collées aux feuilles.

« De cette manière, nous n'introduisons pas un nouveau produit chimique ou des produits chimiques modifiés dans leur champ, mais ils utilisent des produits qu'ils connaissent depuis longtemps », a déclaré M. Varanasi.

MM. Varanasi et Jayaprakash ont créé une société appelée AgZen pour commercialiser le système. Pour prouver à quel point leur système d'enrobage améliore la quantité de produit pulvérisé qui reste sur la plante, ils ont d'abord dû mettre au point un système de contrôle de la pulvérisation en temps réel. Ce système, qu'ils appellent RealCoverage, a été déployé dans des exploitations de quelques dizaines d'hectares à des centaines de milliers d'hectares, et dans de nombreux types de cultures. Il a permis aux agriculteurs d'économiser de 30 à 50 % sur leurs dépenses en pesticides, simplement en améliorant les contrôles sur les pulvérisations existantes. Selon l'entreprise, ce système sera déployé sur 372.000 hectares de cultures en 2025, notamment en Californie, au Texas, dans le Midwest, en France et en Italie. Selon les chercheurs, l'ajout d'un système d'occultation à l'aide de nouvelles buses devrait permettre de doubler encore l'efficacité.

« On pourrait rendre un milliard de dollars aux agriculteurs américains en économisant 6 % de leur budget pesticides », a déclaré M. Jayaprakash, auteur principal de l'article de recherche et PDG d'AgZen. « En laboratoire, nous avons obtenu 300 % de produit supplémentaire sur la plante. Cela signifie que nous pourrions obtenir des réductions de plusieurs ordres de grandeur de la quantité de pesticides que les agriculteurs pulvérisent. »

Soja dans un système agricole sans labour (Image : Sanya Kushak, Shutterstock)

Les agriculteurs utilisaient déjà ces produits chimiques tensioactifs et adjuvants pour améliorer l'efficacité de la pulvérisation, mais ils les mélangeaient à une solution aqueuse. Pour obtenir un effet, ils devaient utiliser une quantité beaucoup plus importante de ces produits, au risque de provoquer des brûlures sur les plantes. Le nouveau système de revêtement réduit la quantité de ces produits nécessaires, tout en améliorant leur efficacité.

Lors d'essais sur le terrain menés par AgZen, « nous avons doublé la quantité de produit sur le chou frisé et le soja simplement en changeant l'emplacement de l'adjuvant », qui n'est plus mélangé mais enrobé, a déclaré M. Jayaprakash. C'est pratique pour les agriculteurs car « ils n'ont qu'à changer de buse. Ils améliorent l'efficacité de tous leurs produits chimiques existants et obtiennent plus de produit sur la plante. »

« Ce qui est vraiment génial, c'est que ce système est utile pour tous les produits chimiques utilisés sur les feuilles, qu'il s'agisse d'insecticides, d'herbicides, de fongicides ou de produits de nutrition foliaire », ajoute M. Varanasi. Cette année, ils prévoient d'introduire le nouveau système de pulvérisation sur environ 12.000 hectares de terres cultivées.

M. Varanasi explique qu'avec la croissance prévue de la population mondiale, « la production alimentaire doit doubler, et nous sommes limités par de nombreuses ressources, par exemple nous ne pouvons pas doubler les terres arables. [...] Cela signifie que chaque hectare que nous cultivons actuellement doit devenir plus efficace et capable de faire plus avec moins. » Selon M. Varanasi, ces technologies de pulvérisation améliorées, qui permettent à la fois de contrôler la pulvérisation et d'enrober les gouttelettes, « changent fondamentalement l'agriculture ».

AgZen a récemment levé 10 millions de dollars en capital-risque pour soutenir le déploiement commercial rapide de ces technologies qui peuvent améliorer le contrôle des intrants chimiques dans l'agriculture. « Les connaissances que nous recueillons sur chaque feuille, combinées à notre expertise en matière de science interfaciale et de mécanique des fluides, nous donnent un aperçu inégalé de la manière dont les produits chimiques sont utilisés et développés – et il est clair que nous pouvons apporter de la valeur à l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement agrochimique », a déclaré M. Varanasi. « Notre mission est d'utiliser ces technologies pour améliorer les résultats et réduire les coûts pour l'industrie agroalimentaire. »

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* Source : New technology out of MIT makes pesticides stick to plant leaves