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Biodisponibilité et biodégradation des HAP dans la rhizosphère Corinne LEYVAL Laboratoire des Interactions Microorganismes -Minéraux-Matière Organique.

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1 Biodisponibilité et biodégradation des HAP dans la rhizosphère Corinne LEYVAL Laboratoire des Interactions Microorganismes -Minéraux-Matière Organique dans les Sols

2 Contexte -Milliers d’hectares de friches
(plus de ha en Lorraine) -Multipollution organique (HAP) et métallique (ETM) Les techniques de traitement (désorption thermique) réduisent mais n’éliminent pas complètement pas la pollution (ETM) La présence de plante (rhizosphère) augmente la dissipation des HAP dans la rhizosphère, mais peu d’études in situ -Nécessité de prendre en compte l’ensemble des polluants présents, leur toxicité et leur biodisponibilité

3 Objectifs Quantifier in situ le devenir des HAP dans la rhizosphère, en interaction avec les autres polluants (organiques et métalliques) et les conséquences de leur présence dans les systèmes sol-plante Approche multidisciplinaire: caractérisation exhaustive des polluants flux et transferts de polluants biodisponibilité, toxicité fonctions microbiennes (gènes de dégradation des HAP) modélisation

4 Partenaires • LIMOS (UHP/CNRS, Nancy) : diversité bactérienne, plante-mycorhize Thierry Beguiristain, Aurélie Cébron, Marie-Paule Norini, Corinne Leyval G2R (UHP/CNRS, Nancy) : caractérisation des fractions organiques Coralie Biache, Pierre Faure LIEBE (univ. Metz/CNRS) : écotoxicité, colonisation végétale spontanée Jean-François Masfaraud, Paule Vasseur LSE (INPL/INRA, Nancy) : fonctionnement agronomique, biodisponibilité, plante hyperaccumulatrice Stéphanie Ouvrard •LSGC (INPL/CNRS): modélisation Marie-Odile Simonnot • GISFI: Noele Raoult

5 Le site expérimental Ancienne cokerie de Homécourt

6 Parcelles Lysimétriques
Dispositif de Parcelles Lysimétriques

7 Dispositif de 24 parcelles lysimétriques
3 2 1 8 7 6 5 TN Terre Nue VS Végétation spontanée 12 11 10 9 Sol NM brut contamination ancienne en HAP Tc Thlaspi caerulescens 16 15 14 13 Ms Medicago sativa Ms m 20 19 18 17 Medicago sativa mycorhizée TD Medicago sativa Sol NM TD ayant subi un traitement de thermo-désorption (500°C) 24 23 22 21

8 Prélèvements et analyses
Deux prélèvements/an: T0:Sept 2005 T1 Mai 2006 T2: Sept 2006 T3: Mai 2007 T4:Sept 2007 • Solutions (épisodes pluvieux) •pH, Eh, O2 dissout, conductivité, mat. en suspension •HAP et autres composés organiques métaux •écotoxicité Plantes et terre (2/an) • croissance • teneurs en métaux • HAP, hydrocarbures aliphatiques, aromatiques, composées polaires • diversité microbienne (16S, gène de dégradation) • écotoxicité • colonisation végétale spontanée

9 Caractérisation des terres étudiées
Granulométrie (%) SG SF LG LF A Terre NM 57,1 8,3 7,5 14,8 12,3 Terre NM traitée (TD) 56,0 14,1 9,8 9,7 10,4 pH N (g/kg) C CaCO3 Ca éch. (cmol/kg) Mg éch. K éch. NM 7,03 2,7 62 19,2 209 8,3 1,1 TD 8,01 0,96 58 51,2 132 2,1 1,2 16 HAP (mg/kg) Ni Zn Cd Pb Cr Cu As NM 1924 97 2086 2,66 482 599 131 27 TD 106 103 2745 2,14 673 394 109 69

10 Bilan des volumes percolés

11 Modèle hydrique de la parcelle
pluie évapotranspiration transport de l’eau transfert d’eau vers les racines convection-diffusion rétention d’eau Calcul avec HYDRUS 1D Exemple : sol nu 11

12 Analyse des 16 HAP dans les terres au cours du temps
Thlaspi Luzerne Végétation spontanée mycorhizée Thermo- désorption Terre nue 500 1000 1500 2000 2500 3000 µg.g-1 de sol sec T0 - Septembre 2005 T1 - Mai 2006 T2 - Septembre 2006 T3 - Mai 2007

13 Evolution des différentes familles de composés organiques (%)
0% 20% 40% 60% 80% 100% T0 T1 T2 T3 R T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 Ar S As Thlaspi Luzerne Végétation spontanée 0% 20% 40% 60% 80% 100% T0 T1 T2 T3 As S Ar R T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 Luzerne mycorhizée Terre nue Thermodésorption As: asphaltènes,S: hydrocarbures saturés, Ar: hydr.aromatiques, R: résines

14 Evolution de la communauté bactérienne totale et des bactéries dégradant les HAP
Nombre de copies de gène/ g de sol sec Terre Nue Végétation spontanée Medicago sativa 109 108 107 106 105 104 t0 t1 t2 t3 Sol NM brut Sol NM TD Quantification par PCR en temps réel du nombre de copies de gènes 16S (bactéries totales) et HAP-dioxygénase (bactéries capables de dégrader les HAP)

15 Pourcentage de bactéries capables de dégrader les HAP par rapport à la communauté bactérienne totale
% du nombre de copies de gènes de HAP-dioxygénase par rapport au nombre de copies de gène d’ADNr 16S Terre Nue Végétation spontanée Medicago sativa t0 t1 t2 t3 Sol NM brut Sol NM TD 1.5% 1% 0.5% 0% HAP-dioxygénase Gram - HAP-dioxygénase Gram +

16 Ecotoxicité Sur les sols:
-sur végétaux (avoine et choux): faible toxicité (plus importante du sol traité par désorption thermique) - sur vers de terre aucune mortalité des vers mais reproduction faiblement diminuée (46%) avec le sol NM, et un peu moins pour DT (33%). -sur la reproduction des collemboles pas de toxicité avec les deux sols initiaux, mais tendance à une reproduction plus faible avec les modalités plantées (MS et MSm) Sur les percolats: -pas de toxicité aigüe sur Microtox et sur les daphnies depuis avril 2006, -pas de génotoxicité sur Vicia faba (avril et mai 2006) -un effet mutagène avec certains percolats (test d’Ames), mais pas avec le test Umu sur S.thyphimurium (ISO), moins sensible -mais toxicité élevée sur les algues pour l’ensemble des échantillons des parcelles NM pour tous les prélèvements, et qui tend à augmenter au cours du temps -toxicité élevée sur la reproduction des Cériodaphnies.

17 Conclusions Le suivi sur deux ans des parcelles montre:
-teneurs en polluants stables ; -peu de transfert de HAP vers les eaux ou les organismes, -peu de différentiation entre les modalités. -hétérogénéité dans les résultats in situ Cependant: toxicité des terres et des percolats vis à vis des organismes (Thlaspi, colonisation mycorhizienne, reproduction des daphnies, division alguale) présence de bactéries dégradantes (quantification de gènes) et stimulation de ces bactéries dans les parcelles plantées biodégradation dans ces terres limitée par la biodisponibilité des polluants

18 Perspectives Nécessité de suivre à plus long terme ce type d’expérimentation: -suivre l’évolution des polluants et de leur toxicité, et -l’augmentation des bactéries dégradantes dans la rhizosphère pouvant à terme favoriser la dégradation des HAP -le lessivage pourrait conduire à une acidification progressive des terres, à une remobilisation à long terme des ETM Devenir des polluants et conséquences sur les systèmes sol/eau/plante Gestion des multipollutions Faisabilité de technologies de remédiation biologiques Restauration des fonctionnalités des sols contaminés et traités

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21 Signatures moléculaires
T INITIAL 2 ANS Terre Nue n-Alcanes (m/z = 57) Luzerne APPARITION DE LA SIGNATURE DES VEGETAUX SUPERIEURS DANS LES PARCELLES PLANTEES Signature végétaux supérieurs n-alcanes au nombre de carbone impair n-Alcanes d’origine anthropique

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25 Biomasse Thlaspi  Zn - Thlaspi  Cd - Thlaspi 

26 Biomasse luzerne


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