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Sim, é possível. Você pode seguir o exemplo abaixo. A função MBSlaveFunc03CallBack é chamada quando o Master requisita o Slave via função holding register. O Slave, faz a leitura do sensor I2C (como master no barramento I2c) e retorna o valor para o Modbus Master.

#include "lib/defs.h"
#include "lib/lcd.h"
#include "lib/mb_config.h"
#include "lib/mb_timer.h"
#include "lib/mb_serial.h"

void INTERRUPCAO() iv 0x0008 ics ICS_AUTO {
      uart_irq();
      timer_irq();
}

BOOL
MBSlaveFunc03CallBack( UCHAR * wRegHoldingbuffer, USHORT startAddress, USHORT  numberOfPoints )
{
	char byte; 
	/*
		startAddress = armazena o endereço de offset da requisição do master; 
	    numberOfPoints = quantidade de registradores a serem lidos; 
		wRegHoldingbuffer = endereço do buffer que receberá o conteúdo lido via I2C;
	*/

	I2C1_Start();              // issue I2C start signal
	I2C1_Wr(0xA2);             // send byte via I2C  (device address + W)
	I2C1_Wr(2);                // send byte (data address)
	I2C1_Repeated_Start();     // issue I2C signal repeated start
	I2C1_Wr(0xA3);             // send byte (device address + R)
	byte = I2C1_Rd(0u);        // Read the data (NO acknowledge)
	I2C1_Stop();               // issue I2C stop signal

	if(numberOfPoints > 0) { 
		wRegHoldingbuffer[0] = byte; //retorna para o Modbus Master o valor lido via I2C; 
	}

    return TRUE;
}
/**
*  Modbus RTU Function Code 03 - Modo Slave
*/
void main( void )
{
#ifdef P18F45K22
    ANSELA = 0;
    ANSELB = 0;
    ANSELC = 0;
    ANSELD = 0;
    ANSELE = 0;
#else
    ADCON1 |= 0X0F;
#endif
    uart_init();
    timer_init();
    /**
     * Função LCD do compilador mikroC
     */
    Lcd_Init();
    Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);
    Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF);
    Lcd_Out(1,1, "ADD:      ");
    Lcd_Out(2,1, "REG:     ");

	I2C1_Init(100000);         // initialize I2C communication
	
   for(;;)
   {
       MB();
   }
}

Olá,

Apenas uma pequena dica: eu prefiro tratar a leitura de sensores antes, armazenar isso numa variável e quando requisitado pelo Master, apenas envia essa informação já tratada  e não fazer a sua captura durante a requisição do Master. 

Esse procedimento pode evitar Timeout do Master durante sua requisição dependendo do que está sendo processado, principalmente em redes maiores, onde a espera pela resposta é importante.

Um abraço a todos.