Transfert sol-plante de métaux critiques "high-tech" : potentialité d'extraction par les plantes

Soil-plant transfer of critical "high-tech" metals : extraction potential by plants

• Auteur / Autrice : Till Fehlauer
• Direction : Jérôme Rose, Blanche Collin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement. Géosciences
• Date : Soutenance le 09/06/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et d’Enseignement des Géosciences de l’Environnement (Aix-en-Provence ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Keller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Blaudez, Catherine Santaella
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Isaure, Guillaume Echevarria

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Minéralisation (biologie)

Yttrium

Métaux des terres rares

Géochimie

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Métaux high-techs

Yttrium

Spéciation

Phytodisponibilité

Extraction

Guttation

High-tech metals

Yttrium

Speciation

Plant-availability

Extraction

Guttation

Résumé

Actuellement, presque tous les éléments chimiques sont utilisés dans des applications industrielles. Les technologies de pointe requièrent un grand nombre de métaux tels que les terres rares, qui possèdent des propriétés très spécifiques. En raison d'un manque de gisements abondants et d'un comportement environnemental méconnu, plusieurs de ces métaux dit « high-techs » suscitent des enjeux géopolitiques et environnementaux. L'objectif de cette thèse est de fournir des connaissances fondamentales sur la façon dont les plantes, gèrent ces contaminants environnementaux émergents. Premièrement, nous avons étudié le transfert sol-plante des métaux dans un site naturel riche en divers métaux et métalloïdes. Nous avons identifié différentes stratégies de tolérance aux métaux et des affinités pour certains éléments, notamment pour les terres rares chez Saxifraga paniculata. Dans un second temps, S. paniculata a été cultivée en conditions contrôlées et exposée à un sol dopé à l'yttrium (Y). Des techniques d'imagerie multi-échelle ont permis de localiser Y dans le sol, les racines et les feuilles. Les analyses des colocalisations indiquent que les mécanismes de transport de Y semblent similaires à ceux de Al, Fe et Ce. Le comportement de Y diffère cependant au niveau des hydathodes, orifices situés à la surface des feuilles qui servent à réguler la pression racinaire via la sécrétion de fluide. Il apparait que ce processus de guttation entraine une biominéralisation de Y et une modification de sa spéciation. Cette recherche améliore l'évaluation de l'impact écologique de contaminants émergents et ouvre la voie à de nouvelles techniques d'extraction et de phytoremédiation

Today, almost every existing chemical element has technological applications. The fast-growing high-tech industry requires a large set of metals with very specific properties, such as rare earth elements (REEs), which are ubiquitous in modern technology. However, due to a lack of economically attractive deposits and unknown environmental behaviour, many of these high-tech metals give rise to geopolitical tensions and environmental concerns. The aim of this work is to provide fundamental knowledge on how plants, a major indicator of ecological health, manage these emerging environmental contaminants. First, we performed a large-scale screening of a plant community naturally exposed to a cocktail of metals and metalloids to identify individual uptake patterns. Multiple plant species with particular uptake patterns were identified, among which the affinity for REEs of Saxifraga paniculata stood out. Secondly, S. paniculata was cultivated under controlled conditions and exposed to a soil doped with the REE yttrium (Y). Multiscale imaging techniques enabled to localize Y in the soil, the roots and the leaves. The results indicated a shared uptake pathway with Al, Fe and Ce. An exception to this consistent colocalization was the hydathodes, which are openings located on the leaf surface that regulate root pressure via fluid secretion. A close analysis of this guttation process revealed, biomineralization of Y inside the hydathodes accompanied by a speciation change. This research improves the assessment of the environmental fate of high-tech elements and paves the way for new plant-based extraction and remediation techniques