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In Europe and France, the end of industrial activities associated to coal exploitation left numerous wastelands contaminated with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Rhizodegradation enables their remediation by using plants associated with microflora. However, the efficiency of this technique, demonstrated at the laboratory scale, is often limited in situ by high plant mortality or inhibited growth. Furthermore, the PAH uptake in plants may threaten the food chain. This work studied the interactions between maize, chosen as model plant, and PAH from industrial contaminated soils or from simplified model systems, i.e. sand spiked with phenanthrene. PAH uptake and their effect on the plant physiology were assessed using systems of increasing complexity, to solve questions raised at different scales, from the cell to the whole plant. Mechanisms involved in PAH uptake and translocation are proposed and the toxic responses of the plant are detailed. Results lead to a new hypothesis: PAH from the solid phase penetrate the roots by physical and direct contact and not only through uptake in pore water. Main arguments are: similar molecular distributions in soils and roots, low correlations between PAH concentrations in pore water and roots and overprediction of bioaccumulation by using predicting models based on root absorption in soil solution. Localization of PHE in roots using microscopic tools showed early suberisation of endoderm and exoderm in presence of PHE, even at low concentration (50 mg kg-1). Nutrient uptake seemed not affected but large elements accumulations and depletion were observed in aerial part of maize. These nutritional disruptions may affect plant functioning and consequently, decrease its growth or even cause its death; En France et en Europe, la fin des activités industrielles liées à l’exploitation du charbon a laissé de nombreux sites et sols pollués par les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). La rhizodégradation pourrait permettre leur dépollution par l’utilisation de plantes et de leur microflore associée. Toutefois, l’efficacité de cette technique, démontrée en conditions contrôlées de laboratoire, est limitée in situ par de fortes mortalités ou l’inhibition de croissance de la plante. De plus, le transfert de ces polluants dans la plante peut menacer la chaîne alimentaire. Ce travail se propose d’étudier les interactions entre le maïs, choisi ici comme plante modèle, et les HAP de sols industriels contaminés ou un de leur représentant, le phénanthrène ajouté à un substrat simplifié. Le prélèvement des HAP et leur effet sur la physiologie de la plante sont évalués sur des systèmes de complexité croissante et en abordant ces questions à différentes échelles, allant de la cellule à la plante entière. Il s’agit en particulier d’élucider les mécanismes de transfert et de translocation des HAP dans la plante et d’identifier les réponses toxiques de celle-ci. Les résultats mènent à l’hypothèse d’une sorption physique des HAP de la phase solide du sol par contact direct avec les racines comme mécanisme principal d’entrée et non par transport dans la phase aqueuse. Les principaux arguments sont les distributions moléculaires similaires entre les HAP totaux dans les terres et celles dans les racines, les mauvaises corrélations entre les concentrations en HAP dissous dans l’eau porale et les racines, ainsi que la surestimation des concentrations prédites par des modèles existants fondés sur un prélèvement de la solution du sol. La localisation du PHE dans les racines à l’aide d’outils de microscopie montre une subérification précoce de l’exoderme et l’endoderme, même à de faibles teneurs (50 mg kg-1). Le prélèvement de nutriment ne semble pas affecté mais d’importantes accumulations et carences d’éléments sont observées dans les parties aériennes. Ces perturbations nutritionnelles du maïs pourraient affecter le fonctionnement de la plante et par conséquent limiter sa croissance ou entraîner sa mort

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

Noccaea caerulescens (Brassicaceae) is the main hyperaccumulator of Cd, Ni and Zn, candidate for phytoremediation of contaminated soils. The distribution of the species is characterized by a high degree of heterogeneity of environmental factors, especially concerning the soil composition. In addition, significant variations in the hyperaccumulation ability between populations of the species have been observed. Therefore, from a broad sampling in France and its neighboring regions, the aim of this thesis was: i) a better understanding of the ecology of N. caerulescens including soil habitat components, iii) a comparison of the ability of populations to accumulate Cd, Ni and Zn and iii) the assessment of the genetic structure among populations. Our results show that N. caerulescens is widespread in the French mountains and not restricted to the metalliferous sites given the large number of non-metalliferous stations explored. In addition, the prospected stations are characterized by a wide range in the soil composition leading to propose a new classification of N. caerulescens stations. On the accumulation of trace elements in situ, we have shown that the bioavailability of trace elements was not the only factor explaining the observed concentrations in the plant. Moreover, hydroponic cultures highlighted a compromise between carbon allocation and accumulation of trace elements especially in serpentine populations. Finally, the analysis of the neutral genetic structure highlighted three geographic regions highly differentiated, but not consistent with the edaphic type; Noccaea caerulescens est la principale Brassicacée hyperaccumulatrice de Cd, Ni et Zn, candidate pour la phytoremédiation des sols contaminés. La distribution de l'espèce se caractérise par une importante hétérogénéité des facteurs environnementaux, et plus particulièrement en ce qui concerne la nature des sols. En outre, des variations importantes de la capacité d'hyperaccumulation entre les populations de l'espèce ont déjà été observées. Dès lors, à partir d'un vaste échantillonnage en France et ses régions limitrophes, l'objectif de cette thèse était de : i) mieux appréhender l'écologie de N. caerulescens notamment les composantes édaphiques de son habitat, iii) comparer les capacités d'accumulation en Cd, Ni et Zn et, iii) déterminer les relations génétiques entre les populations. Nos résultats montrent que N. caerulescens est largement répandue dans les massifs montagneux et que l'espèce n'est pas inféodée aux sites métallifères vu le nombre de stations en milieu non minier. Par ailleurs, les stations se caractérisent par une très large amplitude des paramètres édaphiques conduisant à proposer une nouvelle classification des stations. Concernant l'accumulation des éléments en traces in situ, nous avons démontré que la biodisponibilité ne permettait pas d'expliquer seule les concentrations observées dans la plante. Par ailleurs, des cultures en hydroponie ont mis en évidences un compromis entre l'allocation du carbone et l'accumulation des éléments en traces en particulier chez les populations sur serpentines. Enfin, l'analyse de la structure génétique neutre a fait ressortir trois zones géographiques fortement différenciées, sans cohérence avec le type de milieu

Soil is a nonrenewable resource to maintain because of its socio-economic and environmental importance. However, (bio)industrial activities can degrade soil and cause the appearance of persistent pollution brownfields. The ability of Miscanthus x giganteus to adapt to brownfield soils polluted with heavy metals (HM), while promoting the consolidation process of bioremediation of polluants, without causing a negative impact on the environment, is studied. Soils from Lorraine region (France), very affected by past industrial activity, are used. Considering the complexity of soil-plant-microorganisms relationships, various complementary assessment tools (i.e. in vitro,mesocosm and field) are used to determine the response of each component and their interactions, and thus deduce the sustainability of the method. The culture of M. x giganteus has great potential for rehabilitation of brownfield soils having a multimetallic pollution or mixed (+PAH) with a double benefit: phytostabilisation of HM at the root level and the production of biomass reclaimable (limited transfer of HM). The plant does not alter the characteristics of the soil involved in the mobility of HM (pH, CEC) ; but changes from those related to soil fertility, toxicity (liquid fraction) and the accumulation of HM by other organisms attest to the interaction of the plant with the elements that would make them more available. Plant's activity is causing associations with soil bacteria, for which the phylopes potentially métalloresistants (Zn, Cr) seem common in soils used, Le sol est une ressource non renouvelable à conserver en raison de son importance socio-économique et environnementale. Mais, les activités (bio)industrielles peuvent le dégrader et entraîner l'apparition de friches à pollutions persistantes. La capacité de Miscanthus x giganteus à s'adapter aux sols de friches pollués en éléments traces métalliques (ETM), tout en favorisant la consolidation des processus de bioremédiation des polluants, sans entraîner d'impact négatif sur l'environnement, est étudiée. Des terrains lorrains, très impactés par l'activité industrielle passée, sont utilisés. Considérant la complexité des relations sol-plante-microorganismes, différents outils d'évaluation complémentaires (i.e. in vitro, en mésocosme et sur le terrain) sont employés afin de déterminer la réponse de chaque composante et de leurs interactions et ainsi déduire la durabilité de la méthode. La culture de M. x giganteus a un potentiel pour la réhabilitation des sols de friche à pollutions multimétalliques ou mixtes (+HAP), avec un double bénéfice : la phytostabilisation des ETM au niveau racinaire et la production d'une biomasse aérienne revalorisable (transfert limité des ETM). La plante n'altère pas les caractéristiques du sol qui participent à la mobilité des ETM (pH, CEC) ; les variations de celles liées à la fertilité du sol, de la toxicité (fraction liquide) et de l'accumulation des ETM par d'autres organismes, attestent de l'interaction avec le milieu qui rendrait les éléments plus disponibles. L'activité végétale est à l'origine des associations avec les bactéries du sol, où les phylotypes potentiellement métallorésistants (Zn, Cr) semblent communs aux sols utilisés

Soil is a nonrenewable resource to maintain because of its socio-economic and environmental importance. However, (bio)industrial activities can degrade soil and cause the appearance of persistent pollution brownfields. The ability of Miscanthus x giganteus to adapt to brownfield soils polluted with heavy metals (HM), while promoting the consolidation process of bioremediation of polluants, without causing a negative impact on the environment, is studied. Soils from Lorraine region (France), very affected by past industrial activity, are used. Considering the complexity of soil-plant-microorganisms relationships, various complementary assessment tools (i.e. in vitro,mesocosm and field) are used to determine the response of each component and their interactions, and thus deduce the sustainability of the method. The culture of M. x giganteus has great potential for rehabilitation of brownfield soils having a multimetallic pollution or mixed (+PAH) with a double benefit: phytostabilisation of HM at the root level and the production of biomass reclaimable (limited transfer of HM). The plant does not alter the characteristics of the soil involved in the mobility of HM (pH, CEC) ; but changes from those related to soil fertility, toxicity (liquid fraction) and the accumulation of HM by other organisms attest to the interaction of the plant with the elements that would make them more available. Plant's activity is causing associations with soil bacteria, for which the phylopes potentially métalloresistants (Zn, Cr) seem common in soils used; Le sol est une ressource non renouvelable à conserver en raison de son importance socio-économique et environnementale. Mais, les activités (bio)industrielles peuvent le dégrader et entraîner l'apparition de friches à pollutions persistantes. La capacité de Miscanthus x giganteus à s'adapter aux sols de friches pollués en éléments traces métalliques (ETM), tout en favorisant la consolidation des processus de bioremédiation des polluants, sans entraîner d'impact négatif sur l'environnement, est étudiée. Des terrains lorrains, très impactés par l'activité industrielle passée, sont utilisés. Considérant la complexité des relations sol-plante-microorganismes, différents outils d'évaluation complémentaires (i.e. in vitro, en mésocosme et sur le terrain) sont employés afin de déterminer la réponse de chaque composante et de leurs interactions et ainsi déduire la durabilité de la méthode. La culture de M. x giganteus a un potentiel pour la réhabilitation des sols de friche à pollutions multimétalliques ou mixtes (+HAP), avec un double bénéfice : la phytostabilisation des ETM au niveau racinaire et la production d'une biomasse aérienne revalorisable (transfert limité des ETM). La plante n'altère pas les caractéristiques du sol qui participent à la mobilité des ETM (pH, CEC) ; les variations de celles liées à la fertilité du sol, de la toxicité (fraction liquide) et de l'accumulation des ETM par d'autres organismes, attestent de l'interaction avec le milieu qui rendrait les éléments plus disponibles. L'activité végétale est à l'origine des associations avec les bactéries du sol, où les phylotypes potentiellement métallorésistants (Zn, Cr) semblent communs aux sols utilisés

The aim of this work was to investigate the potential of Miscanthus x giganteus (MxG) for PAH polluted soils remediation and fly ash revegetation. In vitro studies through microplate assays demonstrated the contribution of MxG root exudates and particularly of quercetin (following the identification of root secondary metabolites) to the selective biostimulation of PAH-degrading bacteria. To get insights into bioremediation processes and rhizosphere effects on soil quality, microcosm experiments were conducted at a laboratory scale, using artificially reconstituted soils and collected industrial soils. On the one hand, significant dissipations of four-ring PAH were noticed in the rhizosphere of contaminated soils. On the other hand, significant organic carbon and nitrite inputs could be measured in fly ash, indicating a "restart" of nitrogen cycle and suggesting an enhancement of fly ash weathering processes in the long term. Besides, the development of a soil nucleic acid extraction and purification method permitted to study the evolution of bacterial community diversity in all types of soils, based on PCR-TTGE of eubacterial 16S rDNA. Specific enrichments of bacterial phylotypes could be reported in rhizoplanes, confirming root-associated processes on the selection of soil bacterial communities. Finally, plant adaptation to the broad range of studied substrates in situ lead us to suggest that MxG cultivation could be an effective strategy for a new system of sustainable agricultural activities in wasteland soils; L'objectif de cette thèse a été d'évaluer les possibilités de réhabilitation de sols dégradés, contaminés par des HAP ou à faible qualité agronomique (parc à cendres volantes), en couplant la bioremédiation de ces sols à la culture de Miscanthus x giganteus (MxG). Dans un premier temps, la mise au point d'une série de bioessais in vitro au format microplaque a permis de témoigner de la contribution spécifique des exsudats racinaires de MxG et plus particulièrement de la quercétine (identifié parmi les métabolites secondaires racinaires) dans la biostimulation de bactéries HAP-dégradantes. Afin d'appréhender l'effet rhizosphérique de MxG sur la qualité des sols, des cultures en microcosmes de sols reconstitués puis de sols de friches ont été menées en laboratoire. D'une part, la dissipation significative des HAP à 4 cycles a pu être mesurée dans le compartiment racinaire des sols contaminés. D'autre part, l'augmentation des teneurs en carbone organique observée dans les cendres volantes, associée à une dynamisation du cycle de l'azote suggèrent une accélération des processus pédogénétiques liés au « vieillissement » du substrat. En outre, le développement d'un protocole d'extraction et de purification d'acides nucléiques a permis de suivre l'évolution de la diversité des communautés bactériennes des sols par méthode PCR-TTGE des ADNr 16S microbiens. La sélection de phylotypes bactériens a été mise en évidence au niveau rhizosphérique, en particulier à l'interface sol-racine (rhizoplan), soulignant l'influence de processus racinaires sur la structuration des communautés bactériennes in vivo. Enfin, un dernier volet, rendant compte d'expériences exploratoires sur deux saisons de croissance en champs (sols pollués et parc à cendres), a permis de confirmer l'adaptation de MxG à la variété de substrats étudiés, suggérant que sa culture pourrait constituer une alternative d'agriculture durable sur sites contaminés

The aim of this work was to investigate the potential of Miscanthus x giganteus (MxG) for PAH polluted soils remediation and fly ash revegetation. In vitro studies through microplate assays demonstrated the contribution of MxG root exudates and particularly of quercetin (following the identification of root secondary metabolites) to the selective biostimulation of PAH-degrading bacteria. To get insights into bioremediation processes and rhizosphere effects on soil quality, microcosm experiments were conducted at a laboratory scale, using artificially reconstituted soils and collected industrial soils. On the one hand, significant dissipations of four-ring PAH were noticed in the rhizosphere of contaminated soils. On the other hand, significant organic carbon and nitrite inputs could be measured in fly ash, indicating a "restart" of nitrogen cycle and suggesting an enhancement of fly ash weathering processes in the long term. Besides, the development of a soil nucleic acid extraction and purification method permitted to study the evolution of bacterial community diversity in all types of soils, based on PCR-TTGE of eubacterial 16S rDNA. Specific enrichments of bacterial phylotypes could be reported in rhizoplanes, confirming root-associated processes on the selection of soil bacterial communities. Finally, plant adaptation to the broad range of studied substrates in situ lead us to suggest that MxG cultivation could be an effective strategy for a new system of sustainable agricultural activities in wasteland soils, L'objectif de cette thèse a été d'évaluer les possibilités de réhabilitation de sols dégradés, contaminés par des HAP ou à faible qualité agronomique (parc à cendres volantes), en couplant la bioremédiation de ces sols à la culture de Miscanthus x giganteus (MxG). Dans un premier temps, la mise au point d'une série de bioessais in vitro au format microplaque a permis de témoigner de la contribution spécifique des exsudats racinaires de MxG et plus particulièrement de la quercétine (identifié parmi les métabolites secondaires racinaires) dans la biostimulation de bactéries HAP-dégradantes. Afin d'appréhender l'effet rhizosphérique de MxG sur la qualité des sols, des cultures en microcosmes de sols reconstitués puis de sols de friches ont été menées en laboratoire. D'une part, la dissipation significative des HAP à 4 cycles a pu être mesurée dans le compartiment racinaire des sols contaminés. D'autre part, l'augmentation des teneurs en carbone organique observée dans les cendres volantes, associée à une dynamisation du cycle de l'azote suggèrent une accélération des processus pédogénétiques liés au « vieillissement » du substrat. En outre, le développement d'un protocole d'extraction et de purification d'acides nucléiques a permis de suivre l'évolution de la diversité des communautés bactériennes des sols par méthode PCR-TTGE des ADNr 16S microbiens. La sélection de phylotypes bactériens a été mise en évidence au niveau rhizosphérique, en particulier à l'interface sol-racine (rhizoplan), soulignant l'influence de processus racinaires sur la structuration des communautés bactériennes in vivo. Enfin, un dernier volet, rendant compte d'expériences exploratoires sur deux saisons de croissance en champs (sols pollués et parc à cendres), a permis de confirmer l'adaptation de MxG à la variété de substrats étudiés, suggérant que sa culture pourrait constituer une alternative d'agriculture durable sur sites contaminés

Numerous studies in phytoremediation have tried to increase the uptake of metals by plants for soil cleanup. This work is about a new phytoremediation approach named Filtering Gardens using common wetland plants (Phragmites australis, Iris pseudacorus and Salix viminalis) in the vegetated cells irrigated so as to impose periodic flooding-drying conditions for enhancing the solubility of metals in the soil and their removal through leaching. In a pilot-scale sixteen-month experiment, this approach was applied for phytoremediation of Zn, Cu and Pb from an agricultural soil highly contaminated by sewage disposal. Metal mass balances for soil-plant systems showed that only a non-significant amount of metals was accumulated in plant tissues. An important amount of metals was removed from the soil via phytoleaching resulting from the interaction of plant roots with irrigation. An additional chemical treatment with citrate can enhance metal leaching. Mechanisms of Zn and Cu transformations involved in this phytoremediation were highlighted by combining synchrotron-based X-ray analytical tools at micro- (µXRF, µXRD, µEXAFS) and macro-scale (EXAFS) coupled with chemical analyses, allowing to determine the nature and amount of metal forms in the soil. In the initial soil, zinc was occurred mainly as secondary minerals (Zn-ferrihydrite, Zn-phosphate and Zn-kerolite-like-phyllosilicate) and copper was essentially bound to organic matter. The activity of plant roots under flooding-drying conditions clearly modified the original speciation of metals. In the phytoremediated soil, Zn-ferrihydrite, one of the initially major forms of Zn, was entirely dissolved. The reductive dissolution of this iron oxyhydroxide favored by flooding conditions was the major process inducing Zn leaching. One part of solubilized Zn coprecipitated with Fe into another less soluble iron oxyhydroxide, Zn-substituted goethite, under oxidizing conditions and with assistance by plant roots likely in defense against toxic dissolved metals, as evidenced by the formation of goethite plaques on and near roots. Moreover, the newly occurred particles of metallic Zn and ZnO were discovered in the rhizosphere, in small amount. The oxidation of organic matter likely enhanced by root oxygen release caused an excess of toxic cationic Cu. In response to oxidative stress, this Cu was biotransformed into metallic Cu nanoparticles, in important amount, by plant roots with evidence of assistance by endomycorrhizal fungi. This newly identified mode of metal biomineralization by plant roots may be typical of common wetland plants. This new way of making phytoremedation involves mainly phytoleaching inducing the solubilization of metals in the soil and their leaching and phytotransformation, due in part to phytodetoxication, driving the conversion of toxic metals into weakly soluble forms., De nombreuses études en phytoremédiation visent à accroître le prélèvement des métaux par les plantes pour dépolluer les sols. Ce travail porte sur une nouvelle approche de phytoremédiation appelée Jardins Filtrants qui consiste à traiter le sol dans des casiers végétalisés par des plantes de milieux humides (Phragmites australis, Iris pseudacorus et Salix viminalis) et irrigués de manière à imposer une alternance des conditions hydromorphie-assèchement afin d'accroître la solubilité de métaux dans le sol et de les extraire par lixiviation. Dans une expérience pilote de seize mois, cette approche a été appliquée pour la phytoremédiation de Zn, Cu et Pb d'un sol agricole fortement pollué par l'épandage d'eaux usées. Le bilan de masse des métaux dans les systèmes sol-plante a montré que seule une quantité non-significative des métaux a été accumulée dans la biomasse des plantes. Une quantité importante des métaux a été éliminée du sol via la phytolixiviation résultant de l'interaction de l'activité racinaire avec l'irrigation. Un traitement chimique complémentaire au citrate permet d'augmenter la lixiviation. Les mécanismes de transformations de Zn et Cu impliqués dans cette phytoremédiation ont été mis en évidence par combinaison des techniques analytiques sur la source synchrotron à micro- (µXRF, µXRD, µEXAFS) et macro-échelle (EXAFS) couplée aux analyses chimiques, permettant d'identifier et quantifier les formes des métaux dans le sol. Dans le sol initial, le zinc a été majoritairement sous formes de minéraux secondaires (Zn-ferrihydrite, Zn-phosphate et Zn-phyllosilicate modélisé par Zn-kérolite) et le cuivre a été associé essentiellement à la matière organique. L'activité racinaire dans les conditions hydromorphie-assèchement a profondément modifié la spéciation des métaux. Zn-ferrihydrite, une des formes majoritaires de Zn, a été complètement dissoute. La dissolution réductive de cet oxyhydroxyde de fer, favorisée par les conditions d'hydromorphie, a induit la lixiviation de Zn. Une partie de Zn solubilisé a coprécipité avec Fe en un autre oxyhydroxyde de fer zincifère moins soluble, Zn-goethite substituée, dans les conditions oxydantes et avec assistance des racines formant des plaques de goethite en défense contre l'excès de métaux dissous. De plus, les nouvelles particules de Zn métallique et ZnO ont été découvertes dans la rhizosphère, en faible quantité. L'oxydation de la matière organique a induit l'excès de Cu cationique toxique. En réponse au stress oxydant, ce cuivre a été biotransformé par les racines en association avec des mycorhizes en nanoparticules de Cu métallique, en quantité importante. Ce nouveau mode de biominéralisation peut être typique des plantes de milieux humides. Cette nouvelle voie de phytoremédiation implique principalement la phytolixiviation induisant la solubilisation des métaux et leur lixiviation et la phytotransformation, due pour une part à la phytodétoxication, conduisant la conversion des métaux toxiques en formes peu solubles.

The present study beared on the capacity of poplar to be used in phytoremediation programmes. In plants, trace elements such as Zn, Fe, Cu, Co, Mn, Mo and Ni are necessary to biological processes but they also can be toxic when present at high concentrations. Other non essential elements, such as Cd and Pb also can be taken up by plants and therefore constitute a potential risk for health via accumulation into the food chain. Phytoremediation is the use of plants and associated microorganisms to clean up the environment. First, we have shown that poplar (Populus) species could relatively accumulate high concentrations of metals (Cd, Zn and Ni) compared to other woody plants. For instance, poplar is able to accumulate 30 times more Cd than other woody species. Second we have measured in hydroponic cultures, the potential of metal accumulation by different poplar cultivars. We found that P. trichocarpa hybrids accumulated more metals than the other hybrids. As part of the PHYTOPOP programme, we have also grown the same cultivars on two different polluted sites. Finally, by secondary ion mass spectrometry, we were able to localize Zn in poplar leaf mesophyll. The high biomass, which can also be used for energetic processes, and the heavy metals accumulation properties of poplar lead to the conclusion that poplar can constitute a good candidate for phytoremediation. The CDF (Cation Diffusion Facilitator) members are proteins involved in the transport of heavy metals. Phylogenetic analyses of the CDF family have shown that poplar contains a higher number of CDF members compared with other species. Expression levels of CDF members were studied in different tissues and in different physiological conditions. Moreover, heterologous expression in yeast has shown that PtMTP2 and PtMTP9 transport Zn and Mn respectively. Localization experiments in planta were also realized., Les différentes études entreprises ont porté sur la détermination du potentiel accumulateur du peuplier à une fin d'utilisation en phytoremédiation. Chez les végétaux, les éléments traces comme le Zn, Fe, Cu, Co, Mn, Mo et Ni sont nécessaires aux processus biologiques mais leur accumulation excessive peut être toxique. D'autres éléments non essentiels comme le Cd et le Pb peuvent également être absorbés par les végétaux, et donc constituer un danger potentiel puisqu'ils entrent ainsi dans la chaîne alimentaire. La phytoremédiation est l'utilisation de plantes et de leurs microbes associés pour la dépollution de l'environnement. Dans le cadre de cette étude, il a été démontré que le peuplier (Populus spp.) pouvait accumuler de relativement fortes concentrations de certains métaux (Cd, Zn et Ni) par rapport à d'autres espèces ligneuses, par exemple 30-50 µg de Cd /g de matière sèche foliaire, soit 20 fois plus que les autres espèces. Après avoir mis en évidence le potentiel accumulateur du peuplier, nous avons testé différents cultivars en culture hydroponique et avons ainsi mis en évidence des potentiels accumulateurs variés entre cultivars. Nous avons montré que les hybrides de P. trichocarpa accumulaient davantage que les autres hybrides. Parallèlement à cette étude, nous avons implanté ces mêmes cultivars sur deux sites pollués dans le cadre du projet ANR PHYTOPOP. Combiné à la production d?une forte biomasse qui peut être utilisée pour produire de l'énergie, ce caractère accumulateur fait du peuplier un bon candidat pour la phytoremédiation. Les membres de la famille des CDF (Cation Diffusion Facilitator) sont impliqués dans le transport des métaux. Après une étude phylogénétique des membres de cette famille (démonstration d'un nombre supérieur de CDF chez le peuplier par rapport aux autres espèces), leur expression dans différents tissus et dans différentes conditions physiologiques (sur sol témoin et sur sol pollué) a été étudiée. De plus, la caractérisation fonctionnelle a permis de mettre en évidence un transporteur de Zn (PtMTP2) et un transporteur de Mn (PtMTP9). Une tentative de localisation de ces transporteurs a également été entreprise. Dans le but de localiser les métaux dans les tissus de la plante, nous avons effectué des analyses en spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS) sur des feuilles de peupliers soumis à un stress métallique. Cette dernière technique a permis de montrer que le Zn était essentiellement concentré au niveau du mésophylle.

La phytorémédiation dans son ensemble permet, grâce aux plantes, une stabilisation des contaminants du sol (évitant ainsi toute migration de ces derniers vers les nappes phréatiques) ou une épuration des sols et des eaux contaminées par des polluants divers et variés (comme par exemple les pesticides, les explosifs, les radionucléides, le plomb, mais aussi tous les métaux lourds) qui présentent des risques pour la santé des hommes mais aussi des animaux et de leur écosystème. Les plantes mettent en oeuvre différents procédés afin de réaliser cette épuration. En effet, elles peuvent : - soit augmenter la dégradation microbienne au sein de la rhizosphère grâce à la production d'un exsudat racinaire qui accroitra la dégradation des composés organiques ; - soit accumuler ces contaminants dans leurs tissus (notamment par les composés inorganiques). La bioconcentration des métaux lourds par les plantes est une zone fascinante de recherche qui, en plus de ses applications commerciales importantes, peut fournir des réponses à des questions fondamentales de biochimie des plantes, de la nutrition et du stress physiologique. L'unique gène de «résistance au métal» et «d'accumulation de métal» peut représenter un travail bénéfique pour l'agriculture et l'environnement. La phytorémédiation n'est encore qu'à ses débuts, mais pourrait devenir une technologie pour nettoyer l'environnement. Les développements futurs nécessitent un effort de recherche pluridisciplinaire qui combine la biologie de la plante, la chimie du sol, la microbiologie du sol et les techniques agricoles et environnementales. Il est possible que les plantes accumulant des métaux toxiques puissent être un jour cultivées et récoltées facilement et à un moindre coût, laissant alors le sol ou l'eau avec une teneur en métaux toxiques très diminuée. Les plantes nous donnent déjà de la nourriture, de l'énergie, des matériaux de construction, des fibres naturelles et de nombreux composés chimiques. L'utilisation des plantes pour le nettoyage de l'environnement peut garantir une planète plus verte et plus propre pour nous tous.