Experimental study of some parameters affecting polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) dissipation in the rhizosphere of mycorrhizal plants

par Xiaobai Zhou

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Corinne Leyval.

Soutenue le 22-11-2010

à Nancy 1 , dans le cadre de RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement , en partenariat avec LIMOS - Laboratoire des Interactions - UMR 7137 (laboratoire) .

Le président du jury était Sylvie Dousset.

Le jury était composé de Erik Joner, Thierry Lebeau, Anissa Lounès-Hadj Sahraoui.

  • Titre traduit

    Étude expérimentale de quelques paramètres affectant la dissipation des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans la rhizosphère de plantes mycorhizées


  • Résumé

    Les HAP sont parmi les substances les plus problématiques parce qu'ils ont un fort pouvoir cancérigène, mutagène et ont, par conséquent, des effets nocifs pour la santé humaine. Parmi les techniques de remédiation des sols contaminés par des HAP, la phytoremédiation a été reconnue comme une méthode prometteuse en raison de ses avantages économiques et écologiques. Toutefois, en raison de la nature récalcitrante des HAP, et de facteurs environnementaux difficile à maîtriser, cette technique est encore limitée en termes d'efficacité, en particulier lorsqu'il s'agit de HAP de poids moléculaires élevés. L'inoculation des plantes avec des champignons mycorhiziens à arbuscules (MA), qui sont omniprésents dans la plupart des sols naturels et anthropiques, est connue pour favoriser l'élimination des HAP. Cependant, des résultats variables ont été rapportés quant à l'effet des plantes et des microorganisms associés notamment les champignons MA, sur la phytoremédiation des HAP et nécessite des études complémentaires. Des expériences été réalisées dans des cultures en pot et en microplaques, pour étudier l'influence de certains paramètres sur la dissipation des HAP dans la rhizosphère: l'espèce végétale, l'espèce fongique, la nutrition minérale, la nature des HAP, leur disponibilité et les interactions entre HAP. Quatre espèces de plantes (luzerne, fétuque élevée, ray-grass et céleri) et deux espèces de champignons MA (Glomus intraradices et Glomus mosseae) ont été testées dans un sol artificiellement contaminé avec trois HAP: le phénanthrène (PHE), le pyrène (PYR) et le dibenzo[a, h] anthracène (DBA). Le poids moléculaire des HAP est un facteur majeur influencant leur élimination. Lorsque le poids moléculaire des HAP était plus élevé, le nombre de bactéries dégradantes cultivables était plus faible, et l'efficacité de la phytoremédiation des HAP limitée. La présence de PHE a diminué la biomasse végétale et la colonisation mycorhizienne, mais il a augmenté la dissipation du DBA par co-métabolisme dans les expériences en pots et en microplaques. En revanche, cet effet n'a pas été observé entre le PYR et le DBA . La dissipation des HAP a varié avec les espèces de plantes et de champignons MA. Bien que les quatre espèces de plantes aient augmenté l'élimination du PHE, seule la luzerne a montré des effets positifs sur la phytoremédiation du DBA. Glomus intraradices a augmenté la biomasse végétale et l'absorption du phosphore par des plantes, et il a également augmenté la dissipation du DBA. Lorsque la co-culture de luzerne et fétuque était colonisée par Glomus mosseae, la biomasse obtenue était plus élevée, et la concentration des gènes de HAP-dioxygénase était significativement plus élevée qu'avec Glomus intraradices. Mais Glomus mosseae n'a montré aucun effet significatif sur la phytoremédiation du DBA. Ainsi cet effet des champignons MA sur la dissipation des HAP n'est pas seulement un effet biomasse. La concentration de phosphore et le régime d'alimentation en eau ont également influencé la colonisation mycorhizienne et la dissipation des HAP. Ainsi la dissipation du DBA en présence de plantes était significativement plus élevée que dans les témoins non plantés lorsque la teneur en eau était élevée et celle en phosphore plus faible, ce qui correspondait à la situation où le taux de mycorhization des plantes était le plus élevé. L'ensemble de ces résultats souligne la complexité des interactions entre plantes, microorganismes et polluants dans les sols. Ils montrent que tous les paramètres considérés affectent significativement la dissipation des HAP dans la rhizosphère des plantes, et méritent d'être pris en compte pour contrôler et améliorer la phytoremédiation


  • Résumé

    PAHs are among the most problematic substances as they could accumulate in the environment and threaten the development of living organisms because of their acute toxicity, mutagenicity or carcinogenity. Among remediation techniques for PAH contaminated sites, phytoremediation has been recognized as a promising method owing to its economical and ecological benefits. However, due to the recalcitrant nature of PAH, multivariate and changeful environment factors, this technique is still limited in terms of effectiveness, especially when dealing with high molecular weight PAHs. Inoculation of plants with arbuscular mycorrhizal (AM) fungi, which are ubiquitous in natural and most anthropogenically influenced soils, is known to benefit PAH phytoremediation. However, diverging results were reported on PAH dissipation in plant rhizosphere and the parameters affecting the AM fungi assisted PAH phytoremediation needed more investigation. Some of these parameters were considered in the present work: plant species, AM fungi species, phosphorus nutrition and watering regimes, PAH type, availability and interactions between PAHs. Experiments were performed in pot cultures and in microplates, with different plant species (including alfalfa, tall fescue, ryegrass and celery roots), two AM fungi (Glomus intraradices and Glomus mosseae) and three kinds of PAHs (phenanthrene (PHE), pyrene (PYR) and dibenzo[a,h]anthracene (DBA)), spiked to a soil. PAH molecular weight was a major parameter influencing PAH phytoremediation. With the increase of PAH molecular weight, the culturable PAH degraders decreased, so did the efficiency of phytoremediation. PHE decreased the plant biomass and AM fungi colonization, but it increased the DBA dissipation in both pot and microplate experiments. PYR did not increase DBA dissipation, and addition of PYR into PHE+DBA substrate decreased both PHE and DBA dissipation. PAH phytoremediation efficiency varied with the plant and AM fungi species. Although all four species of plants increased the disappearance of PHE, only alfalfa showed a positive effect on high molecular weight (HMW) PAHs. Glomus intraradices increased the plant biomass and phosphorus uptake of plants, and it also increased DBA dissipation in DBA or PHE+PYR+DBA spiked soil. Co-planted alfalfa and tall fescue colonized with Glomus mosseae obtained higher biomass and the concentration of the PAH-ring hydroxylating dioxygenase genes were significant higher, than with Glomus intraradices, but Glomus mosseae showed no or negative effect on DBA phytoremediation. The phosphorus concentration and water regime also influenced the AM fungus colonization and PAH dissipation. The highest AM colonization and a significant positive impact of mycorrhizal plants on the dissipation of DBA was detected in high-water and low-phosphorus treatment. Results indicated that complex interactions between plants, microorganisms and soil control the fate on PAHs. All the studied parameters significantly affected PAH dissipation in plant rhizosphere, and should be considered for controlling and improving phytoremediation efficiency


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