Tesis sobre el tema "Phytodisponibility"

Cette thèse porte sur plusieurs réponses sur l'écodynamisme et la phytodisponibilité des éléments potentiellement toxiques (EPT) dans des sols agricoles fortement contaminés par des rejets miniers développés sur un substrat carbonatés de la Tunisie septentrionale (Jebel Ressas (JRS), Jebel Hallouf (JH1) et Sidi Bouaoune (SB) dans un climat semi-aride. Les principaux contaminants en cause sont Zn, Pb, Cd, As et Sb pouvant atteindre respectivement 185037 mg.kg-1 à JRS, 28 000 mg.kg-1 à (JH1), 1021 mg.kg-1 à JRS, 1 355 mg.kg-1 et 338 mg.kg-1 à (JH1).Ces sols sont essentiellement formés d'argiles (kaolinite, illite, et montmorillonite), de carbonates (calcite, dolomite et hydrozincite), de silicates (quartz et hémimorphite), et de sulfates (barytine et anglésite). L'effet rhizosphérique sur la mobilité des EPT a été étudié par un test cinétique avec des acides à faible poids moléculaire (LMWAOs). Les résultats ont montré une augmentation du pH de la solution initiale (2,8) jusqu'à des valeurs proches de la neutralité, résultant de la dissolution des carbonates. Nos résultats suggèrent que les éléments les plus extractibles sont le Cd et le Zn et dans une moindre mesure le Pb. La mobilité des métalloïdes (As et Sb), était relativement faible à l'exception des sols de Jebel Hallouf et Sidi Bouaouane, ou un pourcentage d'extraction ne dépassant pas 1% pour Sb et 0,1% pour As, respectivement a été observé.Pour la détermination des formes des EPT dans les sols, deux méthodes d'extractions séquentielles ont été appliquées (BCR et Maiz). En parallèle, la concentration totale dissoute dans les eaux porales, la fraction labile (sondes DGT) et l'absorption par les plantes (orge et petit pois) ont été déterminées afin d'étudier la spéciation, la mobilité et la phytodisponibilité de sols agricoles autour de deux sites post-minier (Jebel Hallouf - Sidi Bouaouane et Jebel Ressas). Nos résultats ont montré que les fractions mobile et mobilisable (schéma de Maiz) des sols sont faibles par rapport à leurs concentrations totales. Le schéma de BCR a quant lui révélé que la majeure partie des EPT est liée à la fraction résiduelle à l'exception du Zn à JRS qui est beaucoup plus concentré dans la fraction échangeable. Une exception a été observée aussi pour le Pb dans les sols de Jebel Hallouf où il est distribué de façon similaire dans les fractions échangeable, oxydable et résiduelle dont le pourcentage varie entre 23 % et 32 %. La réponse des plantes vis-à-vis de ces contaminants montre que le petit pois et l'orge ont accumulés des teneurs en EPT dépassant les teneurs absorbées par les plantes dans les sols témoins. Les concentrations des EPT dans les eaux interstitielles ainsi que celles mesurées par DGT ne montrent pas de corrélation avec le contenu foliaire des plantes. Ce résultat s'explique par le fait que les concentrations des EPT accumulées dans les plantes sont supérieurs à celles disponibles dans les eaux interstitielles et que le réapprovisionnement de la phase solide est pratiquement négligeable. Le risque de transfert des EPT vers l'eau souterraine a été étudié par percolation en condition saturée dans des colonnes de sol reproduisant le profil de surface. Une diminution progressive du potentiel redox liée à la concentration en carbone organique dans le sol a induit un accroissement de la mobilité de l'arsenic probablement liée à la réduction microbienne des oxydes de fer
This thesis provides answers on the ecodynamics and phytoavailability of potentially toxic elements (PTE) in agricultural soils heavily contaminated by mining waste developed on a carbonated bedrock of northern Tunisia (Jebel Ressas (JRS), Jebel Hallouf (JH1) and Sidi Bouaoune (SB) in a semi-arid climate.The main contaminants in question are Zn, Pb, Cd, As and Sb which can respectively reach 185037 mg.kg-1 at JRS, 28,000 mg.kg-1 at (JH1), 1021 mg.kg-1 at JRS, 1,355 mg.kg-1 and 338 mg.kg-1 at (JH1).These soils are essentially made up of clays (kaolinite, illite, and montmorillonite), carbonates (calcite, dolomite, and hydrozincite), silicates (quartz and hemimorphite), and sulfates (barite and anglesite).The rhizospheric effect on the mobility of PTE has been investigated using kinetic test with a mixture of low molecular weight organic acids. The results showed an increase in the pH of the solution (initial pH 2.8) up to near neutrality, leading to the dissolution of carbonates. Our results suggest that the most extractable elements are Cd and Zn and to a lesser extent Pb. an extraction percentage not exceeding 1% for Sb and 0.1% for As, respectively, was observed. for metalloids (As and Sb) their extractibility was relatively low with the exception of the soils of Jebel Hallouf and Sidi Bouaouane, with an extraction percentage not exceeding 1% for Sb and 0.1% for As, respectively.For the determination of the forms of the PTE in soils, two methods of sequential extractions were applied (BCR and Maiz). Jointly, the total dissolved concentration in pore waters, the labile fraction (DGT probes) and the absorption by plants (barley and peas) were measured in order to study the speciation, mobility and phytoavailability of two sites post-mining (Jebel Hallouf - Sidi Bouaouane and Jebel Ressas).Our résultats showed that the PTE in the mobile and mobilisable fraction(Maiz scheme) of the soils are low compared to their total concentrations. The BCR scheme revealed that most of the PTE are bound to the residual fraction with the exception of Zn at JRS which is much more concentrated in the exchangeable fraction. An exception was also observed for Pb in JH(1) and JH(2) soils where it was distributed evenly in the exchangeable, oxidizable and residual fractions, the percentage of which varies between 23 % and 32 %.The response of plants to these contaminants shows that peas and barley have accumulated TPE levels exceeding the levels absorbed by plants in control soils.Total dissolved concentrations soil power water as well as concentrations measured by DGT are not correlated with primary plant leaf content. This result is explained by the fact that the concentrations of PTE accumulated in the plants are higher than those available in the power waters and that the replenishment of the solid phase is practically negligible.The risk of transfer of PTE to water was studied by percolation in saturated conditions in soil columns reproducing the surface profile. A progressive decrease in the redox potential related to the concentration of organic carbon in the soil induced an increase in the mobility of arsenic probably related to the microbial reduction of iron oxides

Cette thèse porte sur l'étude des paramètres qui influencent la dynamique du nickel et de son radionucléide 63 Ni dans les sols. L'objectif principal de ce travail est la caractérisation à la fois chimique et biologique de la disponibilité de ces éléments dans les sols. Le pool disponible du Ni et du 63 Ni (estimation chimique) a été mesuré par des méthodes chimiques, isotopiques et des incubations (méthode des sachets); en évaluant l'intérêt et les limites de chaque méthode. Les facteurs qui influencent la mobilité du métal dans les sols ont été ainsi déterminés. A travers cette étude, nous avons démontré que la biodisponibilité et la phytodisponibilité du Ni dépendent de la minéralogie des sols, du niveau d'altération des sols, du type des associations du métal avec les minéraux et la présence quantitative de ces minéraux. Le transfert du Ni, ou du 63 N i du sol jusqu'à la plante dépend de la disponibilité du métal dans le sol et de la diversité de comportement des racines face à l'offre du sol, en relation avec les stratégies d'hyperaccumulation, d'accumulation ou d'exclusion du Ni. Les plantes sont capables d'influencer la disponibilité du métal dans les sols en intervenant aux processus de désorption du Ni par la phase solide et sa mise en solution. Elles sont aussi capables de modifier la spéciation du Ni en solution cependant la forme majoritaire du Ni dans la solution du sol était le Ni2+. Une culture d'hyperaccumulateurs régulent la concentration de Ni et de 63 Ni dans la solution du sol ainsi que la migration vers la nappe phréatique. En tenant compte des propriétés physico-chimiques des sols, la disponibilité du polluant et le choix des hyperaccumulateurs, ces plantes sont capables de diminuer et de contrôler durablement les effets écotoxicologiques d'une contamination par les éléments en traces ou/et les radionucléides
This thesis relates to the study of parameters which influence the dynamic of nickel and its radionuclide 63 Ni in soils. At the Saille time, the study of the chemical and biological characteriza- tion of these elements availability in the soils is done. The available pool of Ni and 63 Ni (chemical estimation) was measured by chemical and isotopic methods and soil incubations; by evaluating the interest and limits of each roethod. The factors which influence the mobility of metal in soils were thus determined. With through this study, we showed that the bio- and phyto-availability of Ni depend on the soil mineralogy, on the soil weathering, on the type of metal associations with the mineraIs, and on the quantitative presence of these mineraIs. The transfer of Ni and 63 N i from the soil to the plant depends on the metal availability in the soil and on the roots behaviour to the soil offe1, in relation to the strategies of hyperaccumulation, accumulation or exclusion of N z. Plants are able to modify the metal availability in soils by influencing the sorption processes of Ni from the solid phase to the soil solution. They are also able to change the speciation of Ni in solu- tion however the majority form of Ni in the soil solution was N i2+. Hyperaccumulators regulate Ni and 63 N i concentration in soil solution and their migration to the ground water. If the physico-chemical properties of soils, the pollutant availability and the choice of the hyperaccumulators are taken into account, the se plants are able to decrease and control durably the ecotoxicological effects of trace elements and radionuclides contamination in soils

Un nanomatériau (NM) est un objet dont au moins une dimension comprise entre environ 1 et 100 nm, ce qui lui confère une réactivité et des propriétés différentes du même matériau de plus grande taille. L’étendue des applications potentielles a amplifié la production de NMs au début des années 2000.Le sol constitue un compartiment privilégié d’accumulation des NMs au cours de leur cycle de vie.L’objectif de cette thèse a été de déterminer la phytodisponibilité des NMs, en fonction de propriétés intrinsèques aux NMs (chimie, taille, forme, charge de surface et enrobage), et de paramètres environnementaux (propriétés physico-chimiques des sols), ou du type de plantes cultivées (monocotylédones vs dicotylédones). Nous avons pour cela adapté un biotest initialement conçu pour déterminer la phytodisponibilité de métaux présents dans les sols : le RHIZOtest. Il présente l’avantage de normaliser la surface de contact entre l’appareil racinaire et le sol via une membrane, ce qui permet de récupérer un système racinaire exempt de particules de sol. Nous avons déterminé l’influence de la nature chimique, la taille, la forme et l’enrobage, en utilisant des NMs de CeO2, TiO2 et Ag0, et en incluant dans la gamme de concentrations étudiées, des doses proches des concentrations environnementales prédites par la modélisation. Nous avons également déterminer l'impact de la texture des sols sur la phytodisponibilité des nanomatériaux.L’utilisation du RHIZOtest nous a donc permis de cribler l’effet d’un grand nombre de facteurs environnementaux sur la phytodisponibilité des NMs à des concentrations proches de celles prédites dans les sols par la modélisation
A nanomaterial (NM) is an object with at least one dimension between 1 and 100 nm. This gives specific properties, different compared to their micrometric counterparts. New industrial applications implied an increasing production since the 2000’s. Soil is one the main compartment where NMs are accumulating during their life cycle.This work aimed at studying the bioavailability for plants (phytoavailability) of NMs, depending on NMS properties (chemical nature, size, shape, surface coating), on environmental parameters (physicochemical properties of soils), and on plant species (monocotyledon vs dicotyledon).We adapted a biotest, initially used to assess the phytoavailability of metals: the RHIZOtest. This biotest is able to compare phytoavailability of different plants with the same contact area between soils and plants via a membrane, which allows an easier harvest of roots without soil particles.Using the RHIZOtest, we were able to determine the influence of the chemical nature, size, shape and coating of NMs, using CeO2, Ag0, and TiO2 NMs, with concentration exposure close to the one predicted by environmental modeling. We also demonstrated that soil texture had a significant impact on phytoavailablity of nanomaterials.The use of RHIZOtest allowed us to describe the effects of several environmental parameters at exposure concentration close to the ones predicted in soil. The RHIZOtest can be used as a tool to deign NNs for a controlled phytoavailability or for predicting the transfer in trophic chain as a function of the soil

La mise en dépôt de sédiments de cours d'eau contenant de fortes teneurs en mercure représente un risque potentiel de contamination pour l'environnement. Une expérience de remise en suspension en batch et des extractions chimiques sélectives ont permis d'estimer la mobilité du mercure au sein d'un sédiment de curage fortement contaminé au cours de son aération progressive. Afin de mettre en évidence les transferts de mercure dans le système sédiment-plante, des cultures en pot de chou, de colza, de fétuque rouge et de ray-grass ont été réalisées à partir de ce même sédiment avec ou sans marquage radioactif par l'isotope 203 Hg. Au cours de l'aération du sédiment, le mercure est rapidement mis en solution puis se réadsorbe fortement à la phase solide. La concentration maximale de mercure solubilisée ne représente cependant que 0,15 % de la teneur totale en mercure du sédiment. Dans le sédiment oxydé, plus de 85 % du mercure se trouve dans la fraction fine (< 20 [micro]m) d'où il est difficilement extractible. Trois modes de contamination des parties aériennes des espèces végétales testées dans ce travail ont été mis en évidence: (i) une translocation de mercure via les racines (ou absorption racinaire), (ii) un dépôt sec de particules contaminées en mercure à la surface des feuilles et (iii) une absorption de mercure volatilisé à partir du substrat (ou absorption foliaire directe). 1 Le marquage radioactif du sédiment confirme la faible solubilité du mercure au sein du substrat et met en évidence une volatilisation relativement importante de mercure à partir de celui-ci. Les résultats obtenus 1montrent que l'absorption foliaire (voie iii) est le mode de contamination dominant. D'autre part, la translocation du mercure des racines vers les parties aériennes (voie ii) reste limitée et varie selon les espèces. Elle représente près d'un tiers de la teneur mesurée dans les feuilles du colza, un dizième dans les feuilles du chou et est négligeable dans les feuilles de la fétuque rouge. Les préoccupations actuelles des gestionnaires de sites de dépôt sont la limitation de l'envol des poussières et la réduction de leur transport vers des zones initialement non contaminées. Cependant, selon les résultats de cette étude, l'émission de formes volatiles de mercure,. . .

L’étude proposée s’inscrit dans un contexte de contamination croissante de la pédosphère et fait le choix d’appréhender cette problématique via une approche centrée sur la rhizospère et sur les mécanismes gouvernant son évolution. Ces travaux s'intéressent à la relation entre l’uranium – un métal naturel ubiquiste non-essentiel – et le citrate – un acide organique de faible poids moléculaire exsudé par certaines espèces végétales poussant sur un milieu pauvre en phosphore. Parmi ces espèces particulières le lupin blanc (Lupinus albus) fait office de plante modèle. Un sol naturellement riche en uranium prélevé à l’affleurement d’une veine de pechblende a été étudié. L’objectif du travail a été de savoir si l’activité racinaire est suffisante pour provoquer la remobilisation de l’uranium dans la solution du sol et favoriser son transfert. Le système sol/plante a été étudié sur rhizotest et de manière découplée en hydroponie et en réacteurs fermés. Il a été démontré que la présence d’uranium dans un milieu contrôlé (hydroponie) stimule l’exsudation de citrate chez les lupins blancs qui ne sont pas carencés en phosphore et que cette exsudation de citrate favorise la solubilisation de l’uranium dans la solution du sol en réacteurs fermés. Ces résultats ont été confirmés par les observations faites sur rhizotest même si les valeurs obtenues dans ce cas étaient plus nuancées. Ceci justifie les approches utilisées et met en évidence leur complémentarité. Les résultats obtenus ont également permis d’apporter des informations concernant la toxicité de l’uranium, son internalisation dans les cellules racinaires ainsi que sur son transfert des racines aux parties aériennes
The present study is related to the context of pedosphere contamination increasing and chose to consider this issue through a focus on rhizosphere and mechanisms that govern its evolution. This work is oriented on the relation between uranium – a non-essential ubiquitous metal – and citrate – a low molecular weight organic acid exudated by specific species when grown on a phosphorus-deficient environment. Among these particular species white lupine (Lupinus albus) is considered as a model species. Furthermore, a natural soil containing huge amounts of uranium has been collected at the outcrop of a pitchblende vein and used during some experiments. The main aim of this PhD thesis was to determine if the root activity of white lupine is sufficient to cause the remobilization of uranium into soil solution and so to promote the transfer of this contaminant to the plant. The soil/plant system has been studied with rhizotests and by combining datas obtained with hydroponics experiments and batches tests. It has been demonstrated that the presence of uranium in a controlled growth medium (hydropony) stimulates citrate exudation in P-sufficient white lupine. More, this citrate exudation enhances uranium solubilization in soil solution in batches. These results have been confirmed by observations on rhizotest even if the values in this case were more nuanced. This justifies the employed approaches and highlights their coherence and complementarity. The results also allowed to provide additional information concerning uranium toxicity, its internalization in root cells as well as its transfer from roots to aerial parts

Les calculs de sûreté du stockage de déchets radioactifs en milieu géologique profond nécessitent la connaissance du comportement de radionucléides à vie longue dans la biosphère. Le sol, support des chaînes alimentaires terrestres, est un compartiment clé déterminant les transferts des radionucléides à l'Homme. La prédiction des transferts sol-plante repose sur la caractérisation de la phytodisponibilité de ces éléments dans les sols intégrant l'ensemble des processus de transfert au sein du profil. L'objectif de ce travail est la prédiction de la phytodisponibilité des radionucléides dans les sols cultivés. La phytodisponibilité de deux radionucléides de mobilité différente, 63Ni et 99Tc, a été étudiée au niveau de l'échantillon de terre ou du profil de sol cultivé. Trois sols présentant des propriétés hydrauliques et physico-chimiques contrastées ont été échantillonnés de manière à isoler des colonnes non remaniées (50 cm x 50 cm) : une rendzine, un sol brun colluvial argileux et un sol brun acide sablo-limoneux. Ces lysimètres ont été placés en serre et équipés de bougies poreuses et de collecteurs finaux permettant de recueillir les eaux de drainage et la solution du sol. La première année une céréale de printemps, le mai͏̈s (Zea mays L. ), a été cultivée et irriguée recevant une contamination unique en début d'été. Après récolte début octobre, une céréale d'hiver, le blé tendre (Triticum aestivum L. ) a été semée. La contamination par irrigation s'est effectuée en une fois pour le 63NI et en trois fois pour le 99Tc à partir du mois de mars. Les transferts des radionucléides vers les eaux et vers les parties aériennes ont été suivies tout au long des deux années de culture. Les résultats ont montré que la phytodisponibilité d'un radionucléide, issu d'une contamination unique ou répétée, peut être déduite à partir de celle d'analogues chimiques ou isotopiques préexistant dans les sols. Le 63Ni se dilue dans le pool des ions Ni2+ isotopiquement échangeable des sols. Le 99TcO4- se dilue dans le pool des ions NO3- assimilables par la plante. La forte évapotranspiration provoquée par le mai͏̈s jusqu'à sa maturité entraîne un maintien des radionucléides en surface du profil par manque de lame d'eau drainante. . .

La contamination des sols par les éléments traces métalliques constitue un danger pour la santé humaine, notamment /via/ la contamination de la chaîne alimentaire. Le cadmium (Cd) présente un danger particulièrement important en raison de sa forte toxicité à long terme pour l’homme (source INRS) et de sa capacité élevée de transfert du sol vers les parties consommées des végétaux. Le développement d’outils prédictifs du transfert sol-plante de Cd est de ce fait à favoriser. Il passe par la compréhension et la modélisation du transfert de Cd du sol vers la racine végétale. Dans ce contexte, l'objectif général de cette étude était d'identifier et de hiérarchiser les paramètres physicochimiques, et les processus associés, affectant la concentration de Cd2+ en solution de sol au cours d'une culture végétale. Ce travail a confirmé la difficulté d’évaluer la spéciation de Cd en solutions naturelles. Il a mis en évidence de fortes variations de la concentration de Cd2+ en solution de sol au cours du temps de culture, en lien avec l'établissement localisé de conditions anaérobies. L'activité dénitrifiante de la microflore s'est avérée être un processus majeur de contrôle de la concentration de Cd2+ en solution de sol au cours du temps, son impact sur le bilan ionique de la solution de sol conditionnant la désorption de Cd depuis la phase solide. Un mode de calcul de l'exposition racinaire tenant compte de ces variations temporelles de concentration de Cd2+ en solution a permis de mieux prédire le prélèvement de Cd par les racines végétales
The contamination of soils by trace elements constitutes a danger for human health, notably through the contamination of the food chain. Cadmium (Cd) is particularly dangerous because of its high toxicity to man for the long term (source INRS) and its high transfer capacity from the soil to the edible parts of plants. Thus, the development of tools which are able to predict the soil-plant transfer of Cd is desirable. It requires the understanding and the modelling of the transfer of Cd from the soil to the plant root. In this context, the aim of this study was to identify and to prioritize the physico-chemical parameters, and the related processes, that affect the Cd2+ concentration in soil solution over a culture period. This work confirmed the difficulties in evaluating the speciation of Cd in natural solutions. It put into evidence strong temporal changes in solution Cd2+ concentration, in relation with the localized establishment of anaerobic conditions in soil. Microbial denitrification emerged as a major process in controlling the concentration of Cd2+ in soil solution over time, its impact on the solution ionic strength conditioning the desorption of Cd from the solid phase. The integration of the temporal variations in Cd2+ concentration through the calculation of the root exposure to solution Cd improved the prediction of the uptake of Cd by plant roots

L’épandage des déjections animales sur les terres agricoles est pratiqué depuis très longtemps. Il contribue au recyclage d’éléments nutritifs comme l’azote et le phosphore ainsi qu’à l’apport de matière organique au sol. Cependant, l’intensification de la production animale a entraîné une concentration des élevages et des changements de pratiques, notamment en production porcine avec l’ajout de cuivre et de zinc dans la ration alimentaire. Ces éléments se retrouvant en partie dans les déjections, l’épandage des lisiers peut conduire à une accumulation du cuivre et du zinc dans le sol. Par ailleurs, la digestion anaérobie, ou méthanisation, connaît un regain d’intérêt pour la production d’une énergie renouvelable couplée au traitement de déchets organiques. Ce procédé est notamment bien adapté au traitement des déjections animales. Dans ce contexte, notre objectif a été d’évaluer le rôle de la méthanisation sur le devenir et les impacts du cuivre et du zinc des lisiers porcins. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur le fonctionnement d’une unité de méthanisation située dans la région de Pau (64) traitant quotidiennement environ 11 m3 de lisier produit par un élevage porcin naisseur-engraisseur de 250 truies. Le bilan de masse montre que l’azote est conservé au cours du traitement, entraînant un raisonnement sur l’azote apporté par épandage équivalent entre le lisier brut et le lisier méthanisé. Le cuivre et le zinc sont également conservés par la digestion anaérobie, et, dans le lisier méthanisé, l’essentiel du cuivre et du zinc est associé à une fraction granulométrique comprise entre 3 et 25 cm. En revanche, au cours du traitement anaérobie des pertes de phosphore, calcium et magnésium sont constatées du fait de la formation de cristaux de phosphates sur les parois de l’échangeur thermique du digesteur. La méthanisation permet le retour au sol d’une matière organique stabilisée puisque la moitié de la matière organique est convertie en biogaz lors de la digestion. De ce fait, après enfouissement au sol, les lisiers méthanisés génèrent moins de dégagement de CO2 que les lisiers bruts. L’analyse granulométrique des lisiers met en évidence que l’hydrolyse des particules conduit à une augmentation relative du nombre de particules de très petite taille (inf à 0,1 cm) mais également à une augmentation relative du volume occupé par les particules de grande taille (sup à 60 cm). L’utilisation d’un modèle permettant d’interpréter l’analyse élémentaire des fractions solides, amène à la conclusion que le traitement anaérobie se traduit par une dépolymérisation de la matière organique. L’extraction chimique séquentielle montre que le cuivre et le zinc ont une répartition très différentes dans les fractions solides : alors que le zinc est préférentiellement sous forme de carbonates, le cuivre est majoritairement associé à la matière organique. De fait, cette fraction diminue après méthanisation au cours de laquelle le cuivre et le zinc évoluent vers des formes plus stables. La phytodisponibilité et la génotoxicité du cuivre et du zinc contenus dans un lisier brut ou un lisier méthanisé ont été évaluées en simulant les apports par épandage. Pour cela des fractions solides obtenues par centrifugation ont été utilisées. Elles contenaient l’essentiel de la matière sèche, du cuivre et du zinc des lisiers. Aucune différence significative de phytodisponibilité du cuivre et du zinc n’a été observée entre lisier brut et lisier méthanisé pour des cultures de maïs et de fève. La stabilisation de la matière organique dans le lisier méthanisé a permis une diminution d’effet phytotoxique pour des apports importants de matière organique au sol. Le cuivre et le zinc apportés par épandage sur des périodes de 20 ou 100 ans sont absorbés par la fève et le maïs ; cependant, les métaux restent dans des gammes de concentrations non toxiques pour les végétaux. L’absorption de zinc a été corrélée au pH du support de culture et à la dose d’apport, tandis que celle du cuivre a été indépendante de ces paramètres. L’évaluation de la génotoxicité selon la méthode normalisée n’a pas montré de différence significative entre lisier brut et lisier méthanisé. Une corrélation a été établie entre la teneur en cuivre dissous (inf à 0,45 cm) dans la solution d’exposition et l’apparition de micronoyaux dans les racines de Vicia faba. Un test rapide a été développé pour l’évaluation de la génotoxicité par contact direct au sol.

Ces travaux font d'abord l'investigation de la rétention de Cd (109 Cd) dans un sol neutre et de sa phytoextraction par te colza (Brassica napus L). L'influence de plusieurs activités microbiennes est évaluée: colonisation rhizosphérique, production d'exopolysaccharide et biodégradation des matières végétales. Un résultat principal est la rétention importante de Cd par les produits transitoires solides de la biodégradation, supérieure à celle des matières organiques du sol. Dans un deuxième temps, l'effet réciproque de la pollution métallique (Zn, Pb, Cd) sur les populations microbiennes, la biodégradation des matières végétales et le cycle de la matière organique est quantifié expérimentalement dans un site fortement pollué, colonisé par la métallophyte Arabidopsis halleri. La diversité bactérienne a également fait l'objet d'une étude moléculaire. L'effet en retour de l'accumulation organique locale sur la mobilité de Cd est discuté. L'analyse de la rétention de Cd dans les sols étudiés fait appel aux modèles de dynamique du carbone. L'application potentielle de ces travaux est l'amélioration de la prévision de la biodisponibilité des métaux des sols.

Le cadmium (Cd) est un élément trace présent dans les sols agricoles qui contamine la chaîne alimentaire en étant prélevé par les plantes et accumulé dans les produits végétaux consommés. La biodisponibilité du Cd est un concept au cœur de l’évaluation des risques de transfert excessif du Cd du sol vers les plantes. Les plantes prélevant essentiellement l’ion Cd2+ dans la solution de sol, la biodisponibilité est fonction de deux principaux processus, la spéciation du Cd en solution (les différentes formes chimiques prises par le Cd en solution) et le partitionnement du Cd2+ entre la phase solide et la solution. L’objectif principal de ce travail a été d’élaborer des modèles simples à visée opérationnelle prédictifs de la concentration en Cd2+ dans la solution de sols agricoles, en modélisant soit la spéciation du Cd en solution de sol, soit le partitionnement phase solide-solution du Cd2+, celui-ci permettant de renseigner en outre la capacité de la phase à réapprovisionner la solution de sol lors de l’absorption racinaire. Nous avons également recherché des modèles pour la prédiction des teneurs en Cd2+ retrouvées dans les grains de blé dur. Nous avons développé deux approches de modélisation. La première, statistique, permet de produire des modèles simples à visée opérationnelle. La seconde, géochimique, permet de comprendre les mécanismes dominants et donc de juger de la cohérence de modèles statistiques simples pour représenter des processus physico-chimiques complexes. Ces deux approches ont montré de manière cohérente que pour les sols agricoles faiblement contaminés, le Cd qui s’échange entre la phase solide et la solution est vraisemblablement sorbé faiblement et peut-être estimé par le Cd extrait par NH4NO3 1 M minoré par une fraction fixée à des oxydes de manganèse. Les modélisations ont également montré l’importance du pH et de la teneur en Ca en solution comme variables contrôlant la solubilité de Cd2+, probablement en raison de leur rôle à régir la disponibilité des sites de sorption et de complexation vis-à-vis du Cd. Le modèle statistique le plus performant pour prédire la teneur en Cd dans le grain de blé dur reprend également ces variables, suggérant ainsi que les modèles statistiques simples de prédiction de la spéciation en solution et de partitionnement sol-solution du Cd sont des modèles pertinents pour estimer la biodisponibilité et qu’ils peuvent permettre de classer des sols en fonction des risques de transfert du Cd du sol vers une culture. Par rapport à l’évolution du contexte réglementaire, le modèle statistique prédictif de la teneur en Cd dans le grain a montré par validation croisée qu’il pourrait discerner de façon assez fiable (88 %) des différences de 0.05 mg Cd.kg-1 de grain et que sa fiabilité serait moindre (65 %) pour des différences de 0.025 mg Cd.kg-1
Cadmium (Cd) is a trace element found in agricultural soils which can contaminate the food chain by being taken up by plants and accumulated in consumed plant products. The bioavailability of Cd is a concept at the centre of the risk assessment of Cd transfer from soil to plants. Plants, taking up essentially the free form of Cd (Cd2+) in the soil solution, bioavailability is a function of two main processes, the Cd speciation in solution (the different chemical forms taken by the Cd in solution) and the partitioning of Cd2+ between the solid phase and the solution. The main objective of this work was to develop simple predictive operational models of Cd2+ concentrations in agricultural soil solution, by modelling either Cd speciation in soil solution or Cd2+ solid-solution partitioning, the latter to further inform the ability of the phase to replenish the soil solution during root absorption. We also looked for models for the prediction of Cd2+ levels found in durum wheat grains. We have developed two modelling approaches. The first, statistical, allows to produce simple models for operational purposes. The second, geochemical, allows to understand the dominant mechanisms and thus to judge the coherence of simple statistical models to represent complex physicochemical processes. These two approaches have consistently shown that for poorly contaminated agricultural soils, the exchanged Cd between the solid phase and the solution is likely to be weakly sorbed and can be estimated by the Cd extracted by 1M NH4NO3 minus a fraction attached to amorphous manganese oxides. Modelling also showed the importance of pH and Ca content in solution as variables controlling the solubility of Cd2+, probably because of their role in controlling the sorption site availability and Cd complexation. The best-performing statistical model for predicting Cd content in durum wheat also picks up these variables, suggesting that simple statistical models for speciation in solution and soil-solution partitioning of Cd are relevant models to estimate bioavailability and that they can be used to classify soils according to the risks of the transfer of soil Cd to a crop. Compared to the evolution of the regulatory context, the statistical model predictive of the Cd content in the grain shown by cross validation that it could discern relatively reliably (88%) the differences of 0.05 mg Cd.kg-1 of grain and that its reliability would be less (65%) for differences of 0.025 mg Cd.kg-1

Cette étude a été dédiée au développement d’une nouvelle approche de modélisation de la phytodisponibilité des éléments traces. Cette approche a été employée pour prédire l’adsorption du cuivre (Cu) sur des racines de blé et de tomate. Plusieurs techniques analytiques (titrages acido-basiques, résonance magnétique nucléaire, spectroscopie d’absorption X) ont été employées et croisées avec des résultats de modélisation. Dans un premier temps, la réactivité des racines a été caractérisée. Les racines étant constituées de parois apoplasmiques et de membranes plasmiques, la contribution respective de ces deux compartiments végétaux aux propriétés de complexation des racines a été évaluée. L’étude a ensuite été focalisée sur la complexation du Cu au sein des racines et sur l’évolution de cette complexation en fonction des conditions physico-chimiques du milieu. Grâce aux résultats obtenus sur la caractérisation des racines et à l’acquisition d’un jeu varié de données expérimentales sur la complexation du Cu, le modèle a pu être paramétré. Il a été montré que les propriétés de complexation des racines de blé et de tomate proviennent conjointement des membranes plasmiques et des parois apoplasmiques. La spéciation du Cu au sein des racines était partagée entre les composés pectiques des parois apoplasmiques et les protéines enchâssées à la fois dans les parois apoplasmiques et les membranes plasmiques. Un modèle propre aux racines a pu être développé sur la base d’un modèle existant dédié à la réactivité des substances humiques. Le modèle WHAM-THP, présenté dans cette étude, est un premier pas vers un nouvel outil d’évaluation de la phytodisponibilité des éléments traces
This study has been dedicated to the development of a new modeling approach of trace element phytoavailability, focusing on binding reactions between trace element and plant roots. This approach was used to predict copper (Cu) adsorption on wheat and tomato roots. Several analytical techniques (acid-base titrations, nuclear magnetic resonance of carbon 13, X-ray absorption spectroscopy) were used and crossed with modeling results. At first, plant root reactivity was characterized. Because plant roots are consist of cell walls and plasma membranes, the relative contribution of these two compartments in root binding properties was evaluated. The study was then focused on Cu binding reactions on roots and the effects of physico-chemical conditions (pH, ionic strength, presence of cations) on copper binding. The model has been set thanks to results on root characterization obtained and the acquisition of a set of experimental data on Cu binding. It has been shown that binding properties of wheat and tomato roots came from both cell walls and plasma membranes. Copper speciation in roots was shared, almost evenly, between cell wall pectic compounds and proteins embedded in cell walls and plasma membranes. A model, specific to plant roots, has been developed on the basis of a current model dedicated to the humic substances reactivity. The WHAM-Terrestrial Higher Plants model presented in this study is a first step towards a new tool for assessing the availability of trace elements for plants

La pollution des sols par les Eléments Traces Métalliques est un problème majeur car, contrairement aux autres milieux, le sol possède une plus faible capacité à s'épurer. Les différents modèles empiriques exprimant la solubilité et le coefficient de distribution Kd de ces polluants inorganiques dans les sols ne tiennent pas compte de l'influence des facteurs environnementaux. Le travail de thèse a consisté à étudier l'effet de facteurs environnementaux, dits « sensibles au changement global », sur la mobilité de Cd, Pb, Zn, As et Hg dans les sols, à l'aide d'un plan factoriel fractionnaire 2^(4-1). Onze échantillons de sol représentatifs de 3 sites d'études industriels et agricoles des bassins de la Meuse et de l'Ebre ont été étudiés dans le cadre du projet européen AQUATERRA. Le comportement de As n'est pas significativement corrélé à la nature intrinsèque des échantillons de sol mais à l'augmentation de la température et à une condition anoxique. Ces facteurs stimulent les activités microbiennes de solubilisation de As tels que réduction dissolutive microbienne des oxyhydroxydes de Fe et la réduction de As(V). La forte implication de l'activité microbienne permet de modéliser la mobilité de As en fonction des facteurs environnementaux, pour l'ensemble des 11 échantillons de sol. A l'inverse, le comportement de Cd, Pb et particulièrement Zn, est très significativement corrélé à la nature des échantillons de sol et notamment le pH du sol. Enfin, la phytodisponibilité de Cd, Pb, Zn et As a été estimée, à l'aide d'un système à compartiment, et modélisée de manière empirique, afin de permettre une meilleure compréhension des phénomènes de transfert sol-plante.

La pollution des sols par les Eléments Traces Métalliques est un problème majeur car, contrairement aux autres milieux, le sol possède une plus faible capacité à s’épurer. Les différents modèles empiriques exprimant la solubilité et le coefficient de distribution Kd de ces polluants inorganiques dans les sols ne tiennent pas compte de l’influence des facteurs environnementaux. Le travail de thèse a consisté à étudier l’effet de facteurs environnementaux, dits « sensibles au changement global », sur la mobilité de Cd, Pb, Zn, As et Hg dans les sols, à l’aide d’un plan factoriel fractionnaire 24-1. Onze échantillons de sol représentatifs de 3 sites d’études industriels et agricoles des bassins de la Meuse et de l’Ebre ont été étudiés dans le cadre du projet européen AQUATERRA. Le comportement de As n’est pas significativement corrélé à la nature intrinsèque des échantillons de sol mais à l’augmentation de la température et à une condition anoxique. Ces facteurs stimulent les activités microbiennes de solubilisation de As tels que réduction dissolutive microbienne des oxyhydroxydes de Fe et la réduction de As(V). La forte implication de l’activité microbienne permet de modéliser la mobilité de As en fonction des facteurs environnementaux, pour l’ensemble des 11 échantillons de sol. A l’inverse, le comportement de Cd, Pb et particulièrement Zn, est très significativement corrélé à la nature des échantillons de sol et notamment le pH du sol. Enfin, la phytodisponibilité de Cd, Pb, Zn et As a été estimée, à l’aide d’un système à compartiment, et modélisée de manière empirique, afin de permettre une meilleure compréhension des phénomènes de transfert sol-plante
Pollution induced by trace elements in soils is a major environmental problem because, compared to atmospheric and water pollution, the soil environment is much less resilient. Few studies have been conducted on the effect of environmental factors on trace elements mobility. The different empirical models expressing trace elements solubility and distribution coefficient in soils don’t take into account the effect of these factors. The thesis study the effect of global-change-sensitive factors on Cd, Pb, Zn, As and Hg mobility in soils, using a 24-1 fractional factorial design. Eleven soil samples representative of the 3 industrial and agricultural studied sites of the Meuse and Ebro basins have been studied in the framework of the European AQUATERRA project. As behaviour is not significatively linked to intrinsic nature of soil samples but to the temperature increase and to an anaerobic condition. These factors stimulate microbial activities involved in As solubilisation processes such as microbial dissolutive reduction of Fe oxyhydroxydes and As(V) reduction. The strong influence of microbial activity allow to model As mobility as a function of environmental factors for the whole 11 soil samples. On the contrary, Cd, Pb and above all Zn behaviour, are correlated very significatively to the nature of soil samples like soil pH. Finally, Cd, Pb, Zn and As phytoavailability have been assessed thanks to a compartment system and modelled empirically which aims to better estimate of soil-plant transfer processes

Le recyclage des résidus organiques (RO) en agriculture pourrait permettre de limiter l’utilisation des ressources minérales de phosphore (P), à condition de déterminer leur efficacité pour fournir du P aux cultures. L’objectif de ce travail était donc d’étudier les mécanismes déterminant l’effet des RO apportés au sol sur la biodisponibilité du P pour la plante (phytodisponibilité). Ce travail a été basé sur cinq essais de terrain à La Réunion, fertilisés sur une décennie avec des fertilisants organiques ou minéraux, et sur des expérimentations d’incubations en conditions contrôlées et de cultures de plantes en pot. Le P inorganique (Pi) et organique (Po) disponible du sol a été déterminé par des extractions (eau, Olsen), la technique des diffusive gradients in thin films (DGT) et la dilution isotopique associée à des membranes échangeuses d’ions. La capacité de sorption en Pi des sols a été évaluée avec des courbes de sorption. Le P phytodisponible a été déterminé en mesurant le P prélevé par la plante. Dans les différents types de sol (andosol, andique cambisol, nitisol et arenosol), l’apport de RO a augmenté le Pi disponible relativement au Po, suggérant que la minéralisation du Po issu des RO n’est pas un facteur limitant la disponibilité du Pi. Les RO ont augmenté le Pi disponible principalement par l’augmentation du pH du sol et par conséquent la diminution de sa capacité de sorption de Pi. Le P phytodisponible a augmenté avec le Pi disponible du sol, mais a diminué avec l’augmentation du pH du sol. Au-delà de la dose de P, l’effet de l’apport de RO à long-terme sur la phytodisponibilité du P semble principalement contrôlé par l’évolution induite du pH du sol
Application of organic residues (OR) on agricultural soils could reduce the use of mineral phosphorus (P) fertilizers, but this implies to determine the efficiency of OR to meet crop requirements. We thus aimed to study mechanisms determining the effects of OR on P bioavailability to plants (phytoavailability). Our work was based on five field trials with decadal organic or mineral fertilization located in Réunion island, and on incubations and plant growth experiments under controlled conditions. Available inorganic P (Pi) and organic P (Po) was determined using extractions (water, Olsen), the diffusive gradients in thin films technique (DGT) and the isotopic dilution associated to anion exchange membranes (EAEM). Phytoavailable P was determined as the plant P uptake. Soil Pi sorption capacity was determined using sorption curves. For all soil types studied (andosol, andic cambisol, nitisol, and arenosol), RO increased mainly available Pi and had few effects on available Po, which suggests that mineralization of Po applied with RO does not limit Pi availability. Application of RO increased available Pi mainly by increasing soil pH and consequently by decreasing soil Pi sorption capacity. Phytoavailable P increased with soil available Pi, but decreased with increasing soil pH. Our work suggests that except the dose of P applied, effect of RO on P phytoavailability depends mainly on soil pH changes induced

Au regard de l’amenuisement des ressources primaires et de l’augmentation de la production mondiale de déchets, le concept d’agromine propose de phytoextraire les métaux contenus dans les matériaux délaissés. La solution proposée dans ce concept s’inspire de la Nature (SBN) et des principes de l’agronomie et s’inscrit dans une démarche d’économie circulaire. Ainsi, les plantes hyperaccumulatrices (HA) sont capables de prélever les métaux à partir de leur système racinaire pour les stocker à de hautes concentrations dans leurs parties aériennes. Les enjeux de la thèse sont de valoriser des déchets ou matériaux secondaires par l’extraction des éléments d’intérêt qu’ils contiennent et d’identifier les plantes à même de pouvoir se développer sur ces milieux. L’objectif est de formuler à partir des matériaux choisis un substrat fonctionnel, c’est-à-dire capable de rendre un service de fourniture en nickel (Ni). Dans cette optique, le substrat doit permettre l’installation et le développement des HA pour parvenir au transfert des métaux vers les parties aériennes. Les travaux s’intéressent à une boue de phosphatation acide essentiellement composée de Fe, Zn, P et Mn et contenant 0,5% de Ni. Des tests de germination et de croissance ont été effectués avec différents substrats élaborés à partir de cette boue assemblée avec un mélange terreux. Le substrat retenu est constitué de 10% de boue et 90% de terre (m/m). Sur celui-ci, l’HA Alyssum murale produit une biomasse supérieure comparée à un sol témoin (sol ultramafique au même pH et contenant la même quantité de Ni biodisponible), malgré des signes de toxicité pour les plantes. Un des verrous majeurs est la forte toxicité due à la présence de 6% de Zn dans la boue. Deux voies d’amélioration du substrat sont expérimentées : i) l’utilisation d’amendements et ii) la disposition des matériaux dans le profil. L’amendement le plus efficace est un biochar de bois ; il améliore le développement des plantes et ainsi la quantité de Ni phytoextraite. De plus, en modifiant la disposition des matériaux au sein du profil par une répartition en couches, la production de biomasse et la phytoextraction sont améliorées. Ce dispositif permet de lever la toxicité liée au Zn. Il apparait essentiel de contrôler le pH du substrat lors d’une multi-contamination car l’immobilisation du métal varie selon l’élément. L’association du génie pédologique et du génie végétal a permis de formuler un substrat fonctionnel pour la récupération d’éléments d’intérêt tel que le Ni. Ces travaux démontrent la possibilité de valoriser des sous-produits appelés classiquement « déchets » pour obtenir une plus-value, diminuant aussi leur charge métallique et faisant émerger une nouvelle source de métaux « d’origine végétale » obtenue par l’agromine
In view of the depletion of primary resources and the increase in global waste production, the concept of agromining proposes phytoextracting the metals contained in abandoned materials. The solution proposed in this concept is inspired by Nature (NbS) and the principles of agronomy and is part of a circular economy. Thus, hyperaccumulator plants (HA) are able to collect metals from their root system and to store them at high concentrations in their aerial parts. The challenges of the thesis are to give value to waste or secondary materials by extracting the elements of interest that they contain and to identify the plants able to develop on these media. The objective is to formulate, from the chosen materials, a functional substrate, that is to say, capable of rendering a Ni supply service. From this point of view, the substrate must allow the installation and the development of the HAs in order to transfer the metals to the aerial parts. The work focuses on an acid phosphating sludge essentially composed of Fe, Zn, P and Mn and containing 0.5% Ni. Germination and growth tests were carried out with different substrates prepared from this sludge assembled with a soil sample mixture. The retained substrate consists of 10% sludge and 90% soil (w/w). On the latter, HA Alyssum murale produces a higher biomass compared to a control soil (ultramafic soil at the same pH and containing the same amount of bioavailable Ni), despite signs of toxicity to plants. One of the major locks is the high toxicity due to the presence of 6% Zn in the sludge. Two ways of improving the substrate are tested: i) the use of amendments and ii) the arrangement of materials in the profile. The most efficient amendment is a wood biochar; it improves the development of plants and thus the amount of phytoextracted Ni. In addition, by modifying the layout of the materials within the profile by a layered distribution, biomass production and phytoextraction are improved. This device makes it possible to remove Zn-related toxicity. It is essential to control the pH of the substrate during multi-contamination because the immobilization of the metal varies according to the element. The association of soil engineering and plant engineering has made it possible to formulate a functional substrate for the recovery of elements of interest such as Ni. This work demonstrates the possibility of upgrading by-products conventionally called "waste" in order to obtain a surplus value, also reducing their metallic charge and bringing about a new source of "plant-derived" metals obtained by agromining

Cette thèse a porté sur la détermination et l’étude écodynamique d’éléments traces métalliques sur des technosols fortement contaminés en métaux et metalloïdes en contexte de revégétalisation naturelle ou de phytoremédiation. Deux schémas d'extractions séquentielles ont été utilisés conjointement à des extractions sélectives en parallèle avec la détermination de la concentration totale dans les sols, de la concentration totale dissoute dans les eaux porales, du pool labile (sondes DGT) et des tests de germination avec des haricots nains pour étudier la spéciation, la mobilité et la phytodisponibilité de métaux et métalloïdes (Zn, Pb, Cd, As et Sb) pour les technosols de deux sites post-minier (La Petite Faye) et industriel (Mortagne-du-Nord). De plus de jeunes plants de P. euramericana Dorskamp ont été cultivés en rhizobox sur les technosols de Mortagne-du-Nord pour étudier l’effet rhizosphèrique sur la mobilité des métaux. Enfin l’effet de l’addition d’azote sous forme de nitrate et d’ammonium sur le comportement de ces métaux a été également étudié pour P. euramericana Dorskamp sur ces mêmes sols. Malgré les fortes concentrations totales en métaux et métalloïdes dans les sols du site de La Petite Faye, la mobilité de ces éléments potentiellement toxiques est limitée car associés à la fraction résiduelle. La phytodisponibilité est également limitée et corrélée avec le pool labile des technosols. La culture de P. euramericana Dorskamp a généré un effet rhizosphèrique caractérisé par une augmentation de la valeur du pH et la concentration de carbone organique dissout (COD) de la solution de sol ainsi qu’une diminution des concentrations totale dissoute des métaux (Zn, Pb et Cd) dans la solution de sol. L’addition d’azote sous forme de nitrate et d’ammonium a respectivement augmenté et diminué le pH de la solution de sol et dans le cas de l’ammonium a augmenté également le COD et stabilisé les métaux dans la rhizosphère par rapport aux sols de contrôle
This thesis dealt with the determination and study of the ecodynamics of trace metals in technosols highly contaminated in metals and metalloids in the context of natural revegetalisation or phytoremediation. Two sequential extraction schemes were used jointly with selective extractions in parallel with the determination of the total metals concentration in soils, the total dissolved metals concentration in the soil pore water, the metals labile pool (DGT) and germination tests with dwarf beans to investigate the speciation, mobility and phytoavailability of (Zn, Pb, Cd, As and Sb) for technosols of two post-mining (La Petite Faye) and industrial (Mortagne du Nord) sites. Additionally, young plants of P. euramericana Dorskamp were cultivated in rhizobox on Mortagne du Nord technosols to investigate the rhizospheric effect on the mobility of metals. Moreover, the effect of nitrogen addition under nitrate and ammonium on the behavior of these metals has been investigated for P. euramericana Dorskamp for the same soils. Despite the high total metals and metalloids concentration in the La Petite Faye soils, the mobility of these potentially toxic elements is limited because of their association with the residual fraction. The phytoavailability is also limited and correlated with the labile pool of technosols. The culture of P. euramericana Dorskamp generated a rhizospheric effect characterized by an increase of the pH and concentration of dissolved organic carbon (DOC) in the soil pore water and a decrease in the total dissolved concentration of metals (Zn, Pb et Cd) in the soil pore water. The addition of nitrogen under nitrate or ammonium respectively increased and decreased the soil pore water pH and in the case of ammonium the DOC also increased and stabilized metals in the rhizosphere in comparison to control soils