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Le chlorothalonil est faiblement à modérément persistant dans les sols en condition aérobie (demi-vie de 3 à 37 jours) et faiblement persistant en condition anaérobie (demi-vie de 5 à 15 jours). Il est faiblement persistant dans l’eau en condition aérobie (demi-vie inférieure à 1 jour). Ce fongicide est stable à l’hydrolyse aux pH de 5 à 7, mais il s’hydrolyse à pH 9 (demi-vie de 38 jours). La photolyse au sol n’est pas très importante, mais il se dégrade lentement par photolyse dans l’eau à pH 7 (demi-vie de 32 à 65 jours). 

Dans les sols, il a été montré que le chlorothalonil se transformait en deux produits de transformation importants et non polaires (SDS-3701 et SDS-19221) ainsi qu’en trois produits de transformation polaires hydrosolubles de moindre importance (SDS-46851, SDS-47525 et SDS-4724/3). Son principal produit de transformation, SDS-3701, peut cependant persister dans le sol. En milieu aquatique, le chlorothalonil est transformé en deux métabolites majeurs (SDS-67042 et sulfoxyde de SDS-67042) et en quatre métabolites mineurs (SDS-66382, SDS-66432, SDS-13353 et SDS-3701) dans les sédiments marins et d’eau douce.