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Phytoremédiation

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  1. Phytoremédiation Une « technologie verte » pour la dépollution Antoine Gravot Cours M1 Biotechnologies Végétales Septembre 2007

  2. Problème technologique : Mise au point de méthodes de dépollution efficaces et économiquement viables • Problématique scientifique : Comportement des végétaux confrontés à des composés toxiques

  3. Mise en perspective: exemples de techniques de remédiation des sols • Excavation et traitement hors site (400 000t) • Incinération • Enfouissement • Hydrocarbures : Traitement biologique en centre collectif • Excavation et traitement sur site (400 000t) • Hydrocarbures volatils : désorption thermique • Hydrocarbures et métaux : Lavage, Biotertres • Traitement in-situ sans excavation (450 000t) • Confinement • Bioaugmentation, Ventilation forcée • Phytoremédiation Volumes traités en France (source : ADEME http://www2.ademe.fr)

  4. Excavation + désorption thermique Problème : Sols pollués Eaux polluées

  5. Excavation + désorption thermique Phytoremédiation En general 10 fois moins cher Valeur ajoutée paysagère Coût / Efficacité Problème : Sols pollués Eaux polluées

  6. Définition • Phytoremédiation = Utilisation de végétaux et de leurs microorganismes associés pour la dépollution de l’environnement Dégradation et séquestration des polluants organiques et inorganiques

  7. Aspects historiques • Phytoremédiation de l’eau : • Construction de zones humides artificielles épuratoires • 1901 : 275 ha de zones humides construites à San Antonio (Texas) • 1950 études plus approfondies • 1960 : lagunes à hauts rendements • Phytoremediation des sols • Ecole Russe du début du siècle  métaux lourds • 1980-1990 : vaste programme de phytorecultivation sur > 1 millions d’ha • École américaine

  8. Aspects historiques • Années 90 • Quelques pionniers dont Ilya Raskin développent le concept de phytoextraction • 1994 : premier brevet (Phytotech Inc) • Procédé d’extraction des ions métalliques du sol basé sur la croissance de plantes cultivées de la famille des Brassicacées sur des sols contaminés par des métaux. • Absorption racinaire • Exportation foliaire  récolte

  9. 10 ans de R&D après… • 2000 : Premier guide de la phytoremédiation publié par l’agence nationale de l’environnement des USA • Programme COST 837 en Europe

  10. Champs d’application • Préventif : • Végétalisation de décharges • Traitement des effluents industriels et de stations d’épuration • Zones tampons • Curatif • Accidents industriels • Friches industrielles • Activités minières • Pétrochimie et Agrochimie • Sols agricoles • Site militaires

  11. Végétalisation de décharges Source : http://www.ecolotree.com

  12. Stations d’épuration • Traitement en aval : irrigation de zones humides artificielles ou de taillis à rotation courte par des effluents de station (suède) I. Dimitriou et P. Aronsson http://www.fao.org/docrep/008/a0026f/a0026f11.htm

  13. Accidents industriels Pollution accidentelle dans le Wisconsin : hydrocarbures, HAP et organochlorés Source : http://www.ecolotree.com

  14. Friches industrielles Métaux lourds Cokerie d’Homécourt (Lorraine, Arcelor) Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)

  15. Aspects techniques essentiels associés à la phytoremédiation

  16. Typologie des techniques • Polluants inorganiques et organiques • Phytoextraction • Phytovolatilisation • Phytostabilisation • Rhizofiltration

  17. Moutarde brune / cadmium : • Feuilles 1000 • Racines 6000 Phytomining Phytoextraction • Transfert des polluants vers les parties aériennes: • Niveau de bioaccumulation ? • Niveau de translocation ? • Récolte • Confinement ou recyclage Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

  18. Composés volatils : • Hg, dérivés du Se • TCE Phytovolatilisation • Transfert des polluants vers les parties aériennes • Volatilisation et dilution dans l’atmosphère Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

  19. Pb2+ et Cr3+ Phytostabilisation • Prévention : • Infiltrations • Flux horizontaux • Érosion • Conversion en formes moins biodisponibles • Précipitation • Adsorption racinaire Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

  20. Rhizofiltration • Extraction des polluants en milieu aqueux Effluents industriels Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

  21. Filtration de l’arsenic par des fougères Coût : adapté pour des faibles volumes fortement contaminés Elles et al. 2005 Water Research

  22. Construction de zones humides artificielles filtrantes • Se • Nitrate, phosphate, herbicides Site de la TEMCO http://www.rpdc.tas.gov.au/soer/image/280/index.php

  23. Typologie des techniques • Dégradation des polluants organiques • Phytodégradation • Rhizostimulation ou Phytostimulation

  24. Composés moyennement hydrophobes: • TNT et TCE • Composés très hydrophobes : • PCBs (Polychlorinated Biphényls) • HAP (Hydrocarbures aromatiques polycycliques) Dégradation des composés organiques • Phytodégradation • Dégradation des composés par le métabolisme de la plante • Phytostimulation • Stimulation de la flore du sol capable de dégrader les composés organiques

  25. Inoculation Plante = végétal + microorganismes associés • 10-20% des photosynthétats  exsudats racinaires • Densité microbienne augmentée de plusieurs ordres de grandeur à 1mm

  26. Éventuellement en association avec de la remédiation classique Des mécanismes additifs… Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

  27. Choix des espèces utilisées en phytoremédiation Critères : Adaptation au milieu Biomasse et vitesse de croissance Tolérance aux polluants Capacités d’accumulation ou de dégradation des polluants

  28. Espèces classiques en zones humides Lentille d’eau Spartine Jacinthe d’eau

  29. Espèces classiques pour la dépollution des sols ou des eaux souterraines Brassica juncea : la moutarde brune Peuplier

  30. > 1 % Nickel Les plantes hyperaccumulatrices Alyssum bertolonii

  31. > 1 % Zn et 0.1% Cd Les plantes hyperaccumulatrices Thlaspi caerulescens Arabidopsis halleri > 1 % Selenium Astragalus bisulcatus

  32. Facteurs physiologiques généralement responsables de l’hyperaccumulation • Séquestration chimique • Glutathion, phytochélatines, histidine • Séquestration subcellulaire • Compartimentation vacuolaire • Compartimentation tissulaire • Translocation racines / feuilles • Accumulation dans les trichomes • Tolérance au stress oxydatif • « Insensibilité biochimique » aux métaux lourds • Cysteinyl-tRNA synthétase d’Astragalus bisulcatus

  33. Implique des espèces : Tolérantes Accumulatrices Phase de prélèvement de métaux Phase de croissance Récolte D’après Salt, Smith et Raskin 1998 Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 49:643–68 Phytoextraction continue

  34. Ajout des chélatants Phase de prélèvement de métaux Phase de croissance Récolte D’après Salt, Smith et Raskin 1998 Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 49:643–68 Phytoextraction induite

  35. Attention à la percolation !! Un exemple de chélatant : l’EDTA

  36. Sol contaminé en Zn + Cd Moutarde + EDTA 10 t / ha 500 mg / kg Conclusions différentes en fonction du couple espèce / pollution et des contraintes agronomiques Compromis biomasse / accumulation Biomasse X Teneur Rendement d’extraction 5 kg / ha Thlaspi+ EDTA 5 t / ha 25 000 mg / kg 125 kg / ha

  37. Principaux polluants concernés Polluants inorganiques Polluants organiques

  38. Polluants inorganiques • Macroéléments • Métaux lourds et ETM • Radionucléides

  39. Pollutions par des macroéléments

  40. Pollutions inorganiques • Métaux lourds et éléments traces métalliques (ETM)

  41. Comment définir les métaux lourds ? Masse volumique > 5 g / cm-3

  42. Source naturelle + irriguation Traitement de surfaces Traitement du bois automobiles Tanneries Orpaillage Engrais Batteries « Métaux lourds » au sens large « Éléments traces »

  43. Analyse de métaux lourds dans les sédiments associés à la seine en amont et en aval de Troyes Pb Amont de Troyes Aval de Troyes

  44. Plomb • Polluant métallique le plus courant • Ex: site de Metaleurop à Noyelles Godault : 500 ppm sur 500 ha • Faiblement biodisponible  utilisation nécessaire de chélatants

  45. Arsenic • Sources : • Ancien fongicide (vert de Paris) • Traitement du bois : Chrome Cuivre Arsenic • Phytoremédiation : Pteris vittata • Mécanismes de tolérance : • Réduction de l’arsenate en arsenite • Translocation vers les parties aériennes • Stockage vacuolaire

  46. Concentrations en arsenic dans les tissus de Pteris vittata cultivées sur un sol contenant 97 ppm d’arsenic Ma et al. Nature (2001) 409: 579

  47. Nickel : Rôle de l’histidine dans l’hypertolérance Krämer et al. (1996) Nature 379, 635 - 638

  48. Radionucléides • 238U, 137Cs, 90Sr.. Essais de rhizofiltration de 137Cs et 90Sr à Tchernobyl Cooney, C.M., 1996, Sunflowers Remove Radionuclides from Water in OngoingPhytoremediation Field Tests, Environmental Science and Technology, 30 (5), pp.194A.