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International audience

Accès restreint aux membres de l'Université de Lorraine jusqu'au 2015-12-10; Biochars play a central part in the mitigation of global changes. They also represent a challenge for the sustainable management of contaminated soils. This work was conducted in order to better understand the effects of biochar on the mobility of metals in soils and their uptake by plants. A range of experiments was set up following a gradual increase of complexity, with a wood-derived biochar obtained by pyrolysis at 450 °C and two soils, acidic or alkaline, contaminated by Cd, Pb and Zn from smelter activity. Various plant species with contrasting response to metals were tested. Batch sorption and column leaching experiments coupled to microscopic and spectroscopic characterization of biochars were conducted, together with plant growth experiment in pots, rhizoboxes and lysimeters. Results demonstrate that biochar's carbonated mineral phases play a dominant role in the immobilization of metals. They lead to metals direct sorption on the surface of biochar by co-precipitation. Their dissolution also contributes to the increase of soil pH, leading to an increased retention of metals on soil particles. Biochar alters the transfer of metals to the plants by decreasing the availability of metals, but also by decreasing the mobility of major cations and by modifying root surface. A decrease of metal transfer to the shoots was generally observed with Lolium perenne or Zea mays, while an increase of the uptake of Cd and Zn by the hyperaccumulator Noccaea caerulescens was evidenced. In conclusion, biochar controls the mobility of metals in soil-plant systems through a range of different mechanisms. From a practical point of view, biochar promotes both strategies of phytostabilization and phytoextraction of metals in contaminated soils; Les biochars sont au cœur de la lutte contre les changements globaux. Ils constituent aussi un enjeu pour la gestion durable des sols contaminés. Ces travaux ont été conduits afin de mieux comprendre les effets du biochar sur la mobilité des métaux dans les sols et leur transfert vers les plantes. Une série d’expériences de complexité croissante ont été conduites, impliquant un biochar obtenu par pyrolyse de bois à 450 °C, et deux sols, l’un acide et l’autre alcalin, contaminés par Cd, Pb et Zn suite à l'activité d'une fonderie. Une gamme d’espèces végétales aux réponses contrastées vis-à-vis des métaux a été testée. Des essais de sorption en batch et de lixiviation en colonnes couplés à une caractérisation microscopique et spectroscopique du biochar ont été réalisés, ainsi que des expériences de croissance végétale en vases de végétation, en rhizotrons et en lysimètres. Les résultats démontrent que les phases minérales carbonatées du biochar jouent un rôle prépondérant dans l'immobilisation des métaux. Elles interviennent dans la sorption directe des métaux à la surface du biochar par co-précipitation. Leur dissolution contribue également à l'augmentation du pH du sol, conduisant à une rétention accrue des métaux à la surface des particules du sol. Le biochar modifie le transfert des métaux vers la plante en diminuant la disponibilité des métaux, mais également en diminuant la mobilité de cations majeurs et en modifiant la surface racinaire développée par la plante. Une diminution du transfert du métal vers les parties aériennes de la plante a généralement été observée avec Lolium perenne ou Zea mays, alors qu'une augmentation du prélèvement de Cd et Zn par l'hyperaccumulateur Noccaea caerulescens a été mise en évidence. En conclusion, le biochar contrôle la mobilité des métaux dans les systèmes sol-plante grâce à une série de mécanismes différents. Au plan pratique, le biochar favorise les stratégies de phytostabilisation et de phytoextraction des métaux dans les sols contaminés

National audience

National audience; L’utilisation comme amendement de sol de biochar, le charbon solide récupéré après pyrolyse de tout type de biomasse, fait actuellement l’objet de nombreuses recherches, en particulier en lien avec la séquestration de carbone dans les sols et l’augmentation des rendements agricoles [1]. De récentes études suggèrent aussi que le biochar est capable d’immobiliser certains métaux lourds, ce qui ferait de ce matériau faiblement biodégradable, renouvelable et peu coûteux un outil de choix dans la remédiation des sols pollués [2]. Les processus d’immobilisation des métaux lourds, ainsi que leur réversibilité, sont cependant très peu compris. Afin d’évaluer le potentiel d’immobilisation d’un biochar produit à partir de bois résineux et feuillus à 450°C, des expériences de sorption de différents métaux en solution ont été réalisées en batch. Suite à une étape d’adsorption et de désorption, les charbons ont été récupérés puis caractérisés par différentes techniques (e.g. diffraction des rayons X, spectroscopie infrarouge, microscopie électronique) afin d’identifier les modes par lesquels les métaux ont été immobilisés. Les premiers résultats suggèrent la concomitance de plusieurs mécanismes d’immobilisation, dont la précipitation des métaux avec des carbonates ou des phosphates, tandis que l’hystérèse observée entre la courbe d’adsorption et de désorption indique que l’immobilisation n’est que partiellement réversible. Des essais d’extraction sur plusieurs sols contaminés réels prélevés à proximité d’une fonderie montrent par ailleurs que la diminution de l’extractibilité des métaux en présence de biochar serait principalement due à l’augmentation du pH observée, entraînant une plus grande rétention sur les particules de sol. Des expériences en colonne ont donc été imaginées pour compléter ces résultats et distinguer les effets réels du biochar sur la mobilité des métaux dans les sols. L’association d’une colonne de sol contaminé et d’une colonne de biochar permettra ainsi de mesurer la dynamique de sorption des métaux propre au biochar et offrira la possibilité de distinguer la part d’immobilisation des métaux due à leur adsorption à la surface du biochar et celle liée à l’élévation de pH dans le milieu. L’ensemble de cette étude permettra de conclure quant aux possibilités d’utiliser le biochar comme un outil durable de remédiation des sols pollués.

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