Aspects physiologiques et biochimiques de la tolérance à l'arsenic chez les plantes supérieures dans un contexte de phytostabilisation d'une friche industrielle

Physiological and biochemical aspects of tolerance to arsenic in higher plants in a context of phytostabilization of industrial wasteland

• Auteur / Autrice : Annabelle Austruy
• Direction : Adnane Hitmi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie et Génétique Moléculaire
• Date : Soutenance le 14/06/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et Physiologie Intégratives de l'Arbre en Environnement Fluctuant
• Jury : Président / Présidente : Gérard Ledoigt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Laffray, Camille Dumat, Michel Mench, Emmanuel Joussein
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Laffray, Camille Dumat, Michel Mench

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phytorestauration

Auzon (Haute-Loire)

France

Déchets -- Élimination

Friches industrielles

Sols -- Pollution par les métaux lourds

Teneur en arsenic

Cormophytes

Mots clés libres

Arsenic

Photosynthèse

Tolérance

Phytostabilisation

Biodisponibilité

Arsenic

Photosynthesis

Tolerance

Phytostabilization

Bioavailability

Résumé

Ce travail a pour objectif la mise en place d'un procédé de phytostabilisation sur un ancien site industriel, la Vieille Usine d'Auzon (43, France). La caractérisation pédochimique du site atelier a révélé une pollution polymétallique par l'As, Pb, Sb, Cd et Cu. L'As, de par sa concentration totale et sa biodisponibilité dans le sol, est considéré comme le polluant le plus présent et le plus toxique. L'étude floristique réalisée sur le site a relevé une flore métallicole dominée par des pseudométallophytes électives telles que Agrostis capillaris, Equisetum arvense, ou les Euphorbiacées. De manière générale, la majorité des espèces présentes sur la friche industrielle a accumulé de très faibles quantités de polluants (As, Pb) dans ces parties aériennes. Dans un deuxième temps, les travaux ont porté sur les effets induits par les ETM au niveau physiologique et biochimique chez des modèles végétaux, Agrostis capillaris, Solanum nigrum, Vicia faba et Cannabis sativa. Ces données ont mis en évidence la sensibilité de V. faba et la tolérance de S. nigrum à la pollution aux ETM, un maintien de l'activité physiologique mais un ralentissement de la croissance de C. sativa sur sol pollué et une tolérance adaptative d'A. capillaris à la pollution du sol. Par ailleurs, une culture en hydroponie de S. nigrum et V. faba en présence d'As inorganique, arsénite et arséniate, à différentes concentrations a permis de mettre en évidence deux effets de l'As. Celui-ci a provoqué une altération de la structure et du fonctionnement des PSII, plus sensibles à l'As(III), et, une inhibition de l'activité oxygénase et carboxylase de la Rubisco, cible privilégiée de l'As(V). Enfin, ces résultats ont été utilisés dans le cadre de l'expérimentation in situ pour la validation d'un procédé de phytostabilisation sur la friche industrielle d'Auzon. Les effets de la combinaison d'une association d'espèces prairiales et d'un amendement de grenaille de fer zérovalent ou/et de compost ont pu être caractérisés. L'ajout de grenaille de fer au sol complété par un apport de compost a accentué la réduction de la disponibilité de l'As et dans une moindre mesure de Sb. De plus, il a permis d'enrichir le sol en élément minéraux et organiques et a ainsi facilité l'implantation d'un couvert végétal constitué d'espèces végétales à phénotype d'exclusion. Cette expérience in-situ a donc permis de mettre en avant la faisabilité d'un procédé de phytostabilisation dans la dépollution et la revalorisation de sites industriels.

This work aims to the establishment of a phytostabilization process on an old industrial site, "La Vieille Usine" in Auzon (43, France). The pedochemical characterization revealed a polymetallic pollution by As, Pb, Sb, Cd, Cu. The As, by its total content and its bioavailability, is considered as the most concentrated and toxic. A floristic study noted a metallicolous flora dominated by elective pseudometallophyte species such as Agrostis capillaris, the dominant specie, Equisetum arvense, or Euphorbiaceae. Broadly speaking, the majority of species on the industrial site has accumulated very low amounts of pollutants (As, Pb) in these shoots. To better understand the trace element effects on different plants, Agrostis capillaris, Solanum nigrum, Cannabis sativa and Vicia faba were grown on the Auzon’s soil under controlled conditions. These data highlighted (i) the sensitivity of V. faba and the tolerance of S. nigrum to trace element pollution; (ii) for C. sativa, the maintenance of its physiological activity but a slowdown of its growth; (iii) the adaptative tolerance of A. capillaris to soil pollution. In addition, a hydroponics culture of S. nigrum and V. faba in the presence of different concentrations and different oxidation degrees (arsenite and arsenate) of inorganic As allowed to identify two main effects of As at physiological and biochemical level. First, it alters the structure and function of PSII, which seems more sensitive to As(III), and, secondly, it inhibits the carboxylase and oxygenase activities of Rubisco, the main target of As(V). These data were then used to conduct an in-situ experiment based on a phytostabilization process on the industrial wasteland of Auzon. The effects of the combination of an grassland species association with a zerovalent iron shot and/or compost amendment were characterized. The addition of iron shot on the soil completed with compost decreased the available fraction of As and to a lesser extent Sb. Moreover, the amendments allowed to enrich the soil with mineral and organic elements and to facilitate the establishment of vegetal cover composed by tolerant plants with an exclusion phenotype. This in-situ experience enabled to highlight the feasibility of a phytostabilization method in the depollution of industrial sites as in their enhancement.