Phytoremédiation: principes de base et mise en oeuvre Thomas Lambrechts Centre d’écologie urbaine, 19 février 2013

Phytoremédiation ? Ensemble de techniques visant à remédier in situ des sols pollués via l’utilisation de plantes et d’amendements Alternatives à des techniques dites conventionnelles pouvant être couteuses et pas toujours « environmental friendly » Développées par de nombreuses équipes de recherche depuis de nombreuses années: énormément de progrès, connaissances, essais expérimentaux Ne sont que très rarement employées pour la remédiation de sols pollués  Pourquoi ces phytotechnologies ne sont pas plus couramment utilisées par les pouvoirs publics et les sociétés privées ?

Obstacles à l’utilisation des phytotechnologies Complexité des termes/techniques Conesa et al., 2012

Obstacles à l’utilisation des phytotechnologies Complexité des termes/techniques Peu de retours d’expériences de terrain  est ce que cela fonctionne réellement? Peu de protocoles/lignes directrices  pour mon site, quels sont les techniques, plantes, pratiques adéquates ? Difficulté de comparer le coût financier de la mise en application des techniques de phytoremédiation par rapport aux méthodes conventionnelles Guidelines: pas mal de projets en cours pour le moment, elles vont de plus en plus être mises en avant (ex ADEME) Coût financier: le coût va fortement varier selon le site (temps, conditions environnementales, …)

Facteurs clés: temps, profondeur racinaire, tolérance à la pollution Quelles sont les différentes techniques, et laquelle est adéquate pour mon site ? Caractérisation du site Types de polluants Nombre de polluants Concentrations Localisation Risques de dispersion Conditions environnementales (facteurs limitants pour l’installation d’un couvert végétal ?) Organiques (+/- dégradables): hydrocarbures totaux, HAP, PCB, BTEX, solvants chlorés, pesticides, explosifs, … Inorganiques (persistants): éléments en trace métallique ou métaux lourds, radionucléides Facteurs clés: temps, profondeur racinaire, tolérance à la pollution HAP: hydrocarbures aromatiques polycycliques PCB: PolyChloroBiphényles BTEX: benzène toluène ethylbenzène xylènes Insister sur le caractère dégradable/persistant  base du choix de la technique Organique: dégradable en CO2 et autres composés élémentaires ; + la molécule est complexe, moins elle est dégradable (HAP) Inorganique: pas (sauf exceptions) de transformations possibles en d’autres composés moins toxiques; juste des transferts d’un compartiment à un autre Contaminants les plus courants: ETM, hydrocarbures totaux, HAP Pollution multi-éléments: plus difficile à traiter  temps ! Concentrations: si importante: limite fortement le nombre d’espèces végétales adéquates + allongement du temps Localisation: mettre en lien avec profondeur racinaire (à moins de procéder à des excavations et aménagements) Dispersion (lessivage, érosion, ingestion, …)  urgence de la situation influence le choix technique Conditions environ. (fertilisation, irrigation, pentes …)  pratiques agricoles à mettre en place  vont affecter le cout de la mise en œuvre.

2) Choix de la technique Arbre de décision ADEME, les phytotechnologies appliquées aux sites et sols pollués (2012) Expliquer brièvement les 3 grands groupes de technologies Exemples: projet TOTAL : zones pollués uniquement par des hydrocarbures en phytoremédiation ; zones multipolluées excavées et envoyées en centre de traitement Mix avec techniques de confinement (géotextiles, …) NB: les phytotechnologies peuvent être combinées à des technologies conventionnelles

Temps disponible ; valorisation d’un site désaffecté 3) Phytostabilisation Utilisation d’espèces végétales et d’amendements de manière à immobiliser les polluants dans le sol et à contrôler les sources de dispersion potentielles des contaminants Quels sites ? Usage futur ? Pression foncière ? Temps disponible ; valorisation d’un site désaffecté Sources de dispersion : érosion hydrique et éolienne ; lessivage Si projet immobilier, … aucun intérêt Si pas de projet pour le terrain (chancres industriels) Importance de l’usage futur : penser en termes de valorisation économique des zones marginales Zone polluée = terrain sous-évalué Le rentabiliser sans rentrer en compétition avec des zones agricoles (intéressant notamment en termes de biodiesel)

Tolérance aux polluants Adaptation locale Système racinaire important 3) Phytostabilisation Quelles plantes ? Tolérance aux polluants Adaptation locale Système racinaire important Pérennité du couvert Faible translocation aux parties aériennes Facilité d’implantation et de récolte Espèces végétales Usages futur Saules, peupliers Bois-énergie, aménagement paysager Graminées & légumineuses Compostage, gazéification, aménagement paysager, accroissement biodiversité Miscanthus Bois-énergie, éco-matériaux Grandes cultures (maïs, blé, tournesol Méthanisation, gazéification, bioraffineries Sources de dispersion : érosion hydrique et éolienne ; lessivage Importance de l’usage futur : penser en termes de valorisation économique des zones marginales Zone polluée = terrain sous-évalué Le rentabiliser sans rentrer en compétition avec des zones agricoles (intéressant notamment en termes de biodiesel) Essai miscanthus: valorisation de zones industrielles polluées par introduction de miscanthus (collaboration Spaque et universités dont ValBIOM et notre labo notamment) Adapté de ADEME, les phytotechnologies appliquées aux sites et sols pollués (2012) Essai Miscanthus à Tertre (SPAQuE)

3) Phytostabilisation Quels amendements ? compost 3) Phytostabilisation Quels amendements ? chaux zéolite But de ces amendements: diminuer la fraction biodisponible des métaux lourds, en jouant sur les équilibres du sol Exemple: chaux va diminuer l’acidité des sols, ce qui diminue biodispo Grenaille d’acier

Quels itinéraires techniques / pratiques culturales ? 3) Phytostabilisation Quels itinéraires techniques / pratiques culturales ? Travaux d’aménagements (nivelage, …) Préparation du sol avant semis/transplantation Irrigation Fertilisation Contrôle phytosanitaire Très variable d’un site à l’autre, va fortement conditionner les coûts de la mise en œuvre Parcelles expérimentales (Universidad Politécnica de Cartagena, Espagne)

Il faut envisager un monitoring régulier 3) Phytostabilisation Mise en œuvre Chaque site est spécifique: il faut toujours faire des essais préliminaires pour choisir la bonne combinaison plante/amendements/pratiques culturales Il faut envisager un monitoring régulier Performance de la technique Suivi des risques de dispersion Modification des paramètres du sol et des plantes? Penser à long terme (suivi phytosanitaire, …): augmente les coûts

3) Phytostabilisation Applications Suivi: qualité du substrat, concentrations en as, couvert végétal, transfert vers chaines trophiques, infiltration, erosion hydrique et éolienne, Cout 10ha 23 millions euro (destruction, aménagements, confinement, mise en œuvre , suivi sur 8 ans) en 2008 ! Projets DIFPOLMINE et PHYTOPERF (La Combe du Saut, France) Réhabilitation d’un site minier pollué par de l’As, via un ensemencement d’un mélange de graminées, de légumineuses et de plantes à fleurs et un apport de grenaille d’acier Suivi des performances sur le long terme http://extranet.groupeirhenvironnement.com/phytoperf/

3) Phytostabilisation Applications Bois-Saint-Jean Tertre Vieille-Montagne Réhabilitation de zones polluées par des métaux lourds via implantation de cultures de Miscanthus (projet SPAQuE avec collaboration Earth and Life Institute) Valorisation de zones marginales

Quels sites ?  Contraintes de la méthode Temps disponible 4) Phytoextraction Utilisation de plantes et d’amendements visant à transférer les polluants dans les parties aériennes de manière à dépolluer un sol contaminé Quels sites ?  Contraintes de la méthode Temps disponible Usage futur du site ? Pression foncière ? Le temps est un facteur très limitant pour la phytoextraction ! Niveau de contamination et hétérogénéité Cette technique ne convient pas pour les sols fortement pollués / multi-pollués / à forte hétérogénéité  Monitoring (suivi des risques de dispersion) nécessaire tout au long du processus De nombreuses études ont montré que la dépollution d’un site peut prendre des dizaines d’années pour arriver en dessous des normes, si on se base sur les concentrations totales. Le choix de la combinaison optimale d’amendements et de plantes sera donc crucial pour réduire cette durée La quantité prélevée par les plantes peut baisser d’année en année, au fur et à mesure que la fraction biodispo diminue  augmentation du temps nécessaire Si la législation se basait sur la biodispo et la maitrise des risques, alors la solution serait évidemment nettement plus évidente (à ma connaissance, pas le cas en Wallonie, je ne sais pas pour la région Bruxelloise) Forte contamination  temps trop long Multi-pollution  généralement, les espèces végétales ne sont pas capables de prélever tous les polluants avec la même efficacité Forte hétérogénéité  complique les choses, les plantes risquent d’éviter les spots de forte contamination  diminution de l’efficacité Si pollution en profondeur  limitation liée à profondeur racinaire (sauf si excavation), utilisation d’arbres peut limiter cette contrainte Connaissant ces contraintes, et malgré celles-ci, il y a des applications possibles Pour certains auteurs: phytomining, polissage de faibles contaminations, cfr autres présentations

Tolérance aux polluants Adaptation locale 4) Phytoextraction Quelles plantes ? Tolérance aux polluants Adaptation locale Biomasse aérienne et racinaire importante Pérennité du couvert Forte translocation aux parties aériennes Facilité d’implantation et de récolte Plantes hyperaccumulatrices (forte translocation – faible biomasse) Plantes à forte production de biomasse (herbacées et arbres) Noccaea caerulescens (source: Wikimedia commons) Thlaspi caerulescens : essais de terrain ont montré forte extraction Zn et Cd malgré faible biomasse (mais sols faiblement pollués et prédiction qq années) Alyssum sp. Phytomining Ni prouvé comme techniquement et économiquement faisable sur sols naturellement pollués (brevet déposé par société américaine) Pas de retour commerciaux pour le moment Ne pas oublier la valorisation de la biomasse et l’extraction des polluants !! Signaler l’intervention de nausicaa et aricia sur le sujet Boutures de saule et d’aulne (source: Aricia Evlard) Alyssum murale (source: Oregon Dept. of Agriculture)

Augmenter la fraction phytodisponible ? 4) Phytoextraction Quelles amendements ? Augmenter la fraction phytodisponible ? Pour le moment, aucun amendement adéquat ! Augmentation de la biomasse: engrais, … Quelles pratiques culturales ? Idem que phytostabilisation: aménagément du site, préparation du sol, irrigation, fertilisation, contrôle phytosanitaire Ne pas oublier le monitoring (suivi des risques de dispersion tout au long du processus) ! Mise en œuvre / Applications ? EDTA Problèmes avec agents chelateurs et acides organiques: augmentation risques lessivage, persistance +/- forte et toxicité, efficacité non prouvée sur le terrain Amendements biologiques (bactéries et champignons mycorhiziens) : résultats très contrastés pour le moment Mise en œuvre, comme pr phytostab: test prélim nécessaires avant application sur le terrain

5) Phyto- et Rhizodégradation Dépollution des sols contaminés par dégradation des polluants organiques en composés plus simples et moins toxiques via l’utilisation de plantes, d’amendements et des micro-organismes Phytodégradation Rhizodégradation Dégradation Absorption Phytotechnology Technical and Regulatory Guidance and decision trees, revised, ITRC, 2009

5) Phyto- et Rhizodégradation La bioremédiation est une technique couramment utilisée pour la dégradation des hydrocarbures ! Biodégradation: mise en andains, landfarming, … Tout à fait efficient sur une durée courte tant que les concentrations ne sont pas trop importantes Dégradation des hycrocarbures par mise en andains (Tertre, SPAQuE) Inconvénients: manutention régulière et lourde, risques de dispersion (vent), aspect paysager  Peuvent être contrecarrés par l’utilisation de plantes

5) Phyto- et Rhizodégradation Quels sites ? Temps disponible Usage futur du site ? Pression foncière ? Le temps est pour cette technique nettement moins limitant ! Niveau de contamination et hétérogénéité Limitation par: - niveau de tolérance des organismes et temps disponible - biodisponibilité des polluants - localisation de la profondeur On peut compter en années ! Différence entre polluants organiques: persistance, hydrophobicité, liaison à la matière organique

Polluants organiques Espèces préconisées 5) Phyto- et Rhizodégradation Quelles plantes ? Tolérance aux polluants Adaptation locale Biomasse aérienne et racinaire importante Pérennité du couvert Facilité d’implantation et de récolte Effet direct ou indirect sur la dégradation des polluants Programme MULTIPOLSITE, GISFI (France) Polluants organiques Espèces préconisées Hydrocarbures totaux, HAP, BTEX Graminées, légumineuses, ligneux, miscanthus PCB Graminées, légumineuses Solvants chlorés ligneux pesticides explosifs Graminées, ligneux Effet direct: prélèvement et dégradation ds la plante Effet indirect: stimulation microflore, biosurfactants augmentant biodisponibilité Remédiation HAP et métaux lourds notamment par luzerne (avec suivi lessivage) sur long terme (parcelles expérimentales) Adapté de ADEME, les phytotechnologies appliquées aux sites et sols pollués (2012)

5) Phyto- et Rhizodégradation Quels amendements ? Amendements chimiques et/ou organiques: stimuler biomasse végétale et l’activité microbienne Amendements biologiques (bactéries, mycorhizes) Quelles pratiques culturales ? Idem que pour autres techniques: aménagement du site, préparation du sol, irrigation, fertilisation, contrôle phytosanitaire Ne pas oublier le monitoring ! Mise en œuvre / Applications ? Principalement améliorer la fertilité / prop des sols Microflore dégradante parfois absente ou insuffisante: bioaugmentation Mycorhizes: augmenter tolérance plantes aux conditions défavorables du site (alternative à fertilisation / irrigation) Rhizodégradation des hydrocarbures (TOTAL / Haskoning / Earth and Life Institute )

Conclusions – Points clés 1) Complexité des termes/techniques  Simplification des termes: 3 grands groupes de techniques 2) Peu de retours d’expériences de terrain  est ce que cela fonctionne réellement?  Pas mal de techniques maintenant au stade de démonstrations sur le terrain Cfr exemples dans cette présentation et chez les prochains intervenants 3) Peu de protocoles/lignes directrices  pour mon site, quels sont les techniques, plantes, pratiques adéquates ?  Quelques espèces végétales, pratiques, itinéraires techniques mis en avant, mais toujours en phase d’investigation/amélioration. Projets européens visant à l’élaboration de guidelines 4) Difficulté de comparer le coût financier de la mise en application des techniques de phytoremédiation par rapport aux méthodes conventionnelles  Coûts difficiles à évaluer, conditionnés par la spécificité du site

Conclusions – Points clés Nécessité de faire des tests préliminaires avant mise en œuvre  synergie entre les groupes de recherche universitaires et le secteur privé Nécessité d’avoir plus de retours d’expériences, et de réaliser des monitorings  autre possibilité de synergie Intérêt de combiner les techniques de phytoremédiation avec d’autres techniques, pour pallier aux inconvénients inhérents à chaque technologie Ajouter une plus-value économique à la remédiation (biodiesel, bois-énergie, …): valorisation de terres marginales sans rentrer en compétition avec la production de nourriture

Merci pour votre attention !