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

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

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

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

5 Problème : Sols pollués Eaux polluées Excavation + désorption thermique

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

7 Définition Phytoremédiation = Utilisation de végétaux et de leurs microorganismes associés pour la dépollution de lenvironnement Dégradation et séquestration des polluants organiques et inorganiques

8 Aspects historiques Phytoremédiation de leau : 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 : vaste programme de phytorecultivation sur > 1 millions dha École américaine

9 Aspects historiques Années 90 Quelques pionniers dont Ilya Raskin développent le concept de phytoextraction 1994 : premier brevet (Phytotech Inc) Procédé dextraction 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

10 10 ans de R&D après… 2000 : Premier guide de la phytoremédiation publié par lagence nationale de lenvironnement des USA Programme COST 837 en Europe

11 Champs dapplication Préventif : Végétalisation de décharges Traitement des effluents industriels et de stations dépuration Zones tampons Curatif Accidents industriels Friches industrielles Activités minières Pétrochimie et Agrochimie Sols agricoles Site militaires

12 Végétalisation de décharges Source :

13 Stations dépuration 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

14 Accidents industriels Pollution accidentelle dans le Wisconsin : hydrocarbures, HAP et organochlorés Source :

15 Friches industrielles Cokerie dHomécourt (Lorraine, Arcelor) Métaux lourds Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)

16 Aspects techniques essentiels associés à la phytoremédiation

17 Typologie des techniques Polluants inorganiques et organiques Phytoextraction Phytovolatilisation Phytostabilisation Rhizofiltration

18 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 Phytomining Moutarde brune / cadmium : Feuilles 1000 Racines 6000

19 Phytovolatilisation Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol Transfert des polluants vers les parties aériennes Volatilisation et dilution dans latmosphère Composés volatils : Hg, dérivés du Se TCE

20 Phytostabilisation Prévention : Infiltrations Flux horizontaux Érosion Conversion en formes moins biodisponibles Précipitation Adsorption racinaire Pb 2+ et Cr 3+ Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

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

22 Filtration de larsenic par des fougères Elles et al Water Research Coût : adapté pour des faibles volumes fortement contaminés

23 Construction de zones humides artificielles filtrantes Se Nitrate, phosphate, herbicides Site de la TEMCO

24 Typologie des techniques Dégradation des polluants organiques Phytodégradation Rhizostimulation ou Phytostimulation

25 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 Composés très hydrophobes : PCBs (Polychlorinated Biphényls) HAP (Hydrocarbures aromatiques polycycliques) Composés moyennement hydrophobes: TNT et TCE

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

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

28 Choix des espèces utilisées en phytoremédiation Critères : Adaptation au milieu Biomasse et vitesse de croissance Tolérance aux polluants Capacités daccumulation ou de dégradation des polluants

29 Espèces classiques en zones humides Spartine Lentille deau Jacinthe deau

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

31 Les plantes hyperaccumulatrices Alyssum bertolonii > 1 % Nickel

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

33 Facteurs physiologiques généralement responsables de lhyperaccumulation 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 dAstragalus bisulcatus

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35 Phytoextraction continue Phase de prélèvement de métaux Phase de croissanceRécolte Daprès Salt, Smith et Raskin 1998 Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 49:643–68 Implique des espèces : Tolérantes Accumulatrices

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

37 Un exemple de chélatant : lEDTA Attention à la percolation !!

38 Compromis biomasse / accumulation Biomasse X Teneur Rendement dextraction Thlaspi+ EDTA Moutarde + EDTA 10 t / ha500 mg / kg 5 kg / ha mg / kg5 t / ha125 kg / ha Sol contaminé en Zn + Cd Conclusions différentes en fonction du couple espèce / pollution et des contraintes agronomiques

39 Principaux polluants concernés Polluants inorganiques Polluants organiques

40 Polluants inorganiques Macroéléments Métaux lourds et ETM Radionucléides

41 Pollutions par des macroéléments

42 Pollutions inorganiques Métaux lourds et éléments traces métalliques (ETM)

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

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

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

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

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48 Arsenic Sources : Ancien fongicide (vert de Paris) Traitement du bois : Chrome Cuivre Arsenic Phytoremédiation : Pteris vittata Mécanismes de tolérance : Réduction de larsenate en arsenite Translocation vers les parties aériennes Stockage vacuolaire

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

50 Nickel : Rôle de lhistidine dans lhypertolérance Krämer et al. (1996) Nature 379,

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

52 Composés organiques Hydrocarbures dont HAP Organochlorés Solvants : TCE Insecticides : DDT PCB (pyralènes), PCDD (dioxines), PCDF (furanes) Explosifs TNT, RDX Herbicides Atrazine

53 Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) Log K ow Cœfficient de partage octanol/eau

54 Cellule 8 non- plantée Phytodégradation du TCE par des peupliers Gordon et al Environmental Health Perspectives. 106:

55 Approches transgéniques

56 Augmentation de la tolérance au cadmium Surexpression de la -ECS chez Brassica juncea

57 Problématique Si synthèse de phytochélatines, la - ECS est limitante pour la synthèse de glutathion Surexpression de la -ECS chez Brassica juncea

58 Phénotype des transformants Zhu et al Plant Physiology

59 Augmentation de la translocation de Cd vers les parties aériennes Caractérisation fonctionnelle et surexpression dune P-ATPase chez Arabidopsis

60 Cd 2+ biodisponible Canaux et transporteurs calciques Transporteurs de Fe Problème : translocation<50% Cd chélaté, séquestré

61 Identification de transporteurs potentiellement intéressants pour la phytoremédiation Arbre phylogénétique des P-ATPases dArabidopsis thaliana

62 Adressage membranaire dAtHMA4 Verret et al. FEBS 2004 Témoin GFP soluble HMA4::GFP

63 Expression tissulaire dAtHMA4 Verret et al. FEBS 2004

64 Phénotype du surexpresseur dHMA4 Col-0HMA4ox Cd 40µM Verret et al. FEBS 2004

65 Translocation des métaux chez le surexpresseur dHMA4 Verret el al FEBS

66 Stimulation de la séquestration vacuolaire de métaux lourds Expression du transporteur YCF1 de la levure chez Arabidopsis thaliana

67 Identification dun facteur de tolérance au cadmium chez la levure: YCF1 Song et al. (2003) Nature Biotechnology 21 (8):

68 Confirmation de ladressage vacuolaire de YCF1 exprimé chez Arabidopsis Song et al. (2003) Nature Biotechnology 21 (8):

69 Amélioration de la tolérance et de laccumulation chez les surexpresseurs Song et al. (2003) Nature Biotechnology 21 (8):

70 Phytovolatilisation du mercure par une plante exprimant un gène bactérien MerA (mercurate réductase)

71 Problématique Sources: Feux de forêt, activité volcanique Combustion du charbon, orpaillage, industries diverses Le Hg(II) nest pas volatil La conversion du Hg(II) en Hg(0) est réalisée par une enzyme bactérienne Rendement trop faibles pour une application Expression de merA dans une plante

72 Liriodendron tulipifera (Magnoliaceae)

73 Criblage des cals exprimant MerA Rugh et al Nature

74 Criblage des cals résistant au Hg(II) Rugh et al Nature Biotechnology

75 Phénotype du transformant : volatilisation du Hg(0) Rugh et al Nature

76 Mercure Problème : conversion en méthylmercure Phytoremédiation Approche transgénique : déméthylation du mercure (gène merB) Réduction du Hg(II) en Hg(0) (gène merA) volatilisation

77 Quelques exemples pour les composés organiques Favoriser la phytodégradation Expression de gènes de mammifères (P450 TCE) ou de bactéries (TNT) Favoriser la rhizostimulation Endosymbiose avec une souche bacterienne transformée

78 Phytodégradation du TNT par une plante exprimant une nitroréductase bactérienne Hannink et al Nature Biotech

79 Problématique Les plantes sont capables de dégrader le TNT mais avec une efficacité faible croissance fortement réduite La nitroréductase de Enterobacter cloacae est efficace pour la dégradation du TNT Expression de la NR dans le tabac

80 Phénotype des transformants TNT 0.05 mMTNT 0.1 mM témoin Hannink et al Nature Biotech

81 TNT résiduel dans les tissus Hannink et al Nature Biotech

82 Explosifs RDX TNT

83 Effet de la surexpression chez une plante dun cytochrome P450 bactérien capable de dégrader le RDX

84 Conclusions Pour les métaux lourds : recherche de facteurs génétiques le plus souvent dorigine végétale Pour le catabolisme des composés organiques : gènes dorigines plus diverses Connaissances émergentes sur les mécanismes moléculaires susceptibles dêtre manipulés par génie génétique pour améliorer les génotypes De très gros efforts de recherche qui commencent à déboucher sur des applications intéressantes

85 Aspects économiques et industriels

86 Aspects financiers Aspects financiers de laide à la décision Prédiagnostic: 2300 euros Diagnostic : euros Étude de faisabilité : euros Source : ADEME

87 Entreprises de phytoremédiation France Phytorestaure USA Ecolotree Treemediation Edenspace System Corporation arsenic Phytokinetics architecture racinaire Applied Phytogenetics transgenèse et remédiation du méthylmercure


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