Contribution à la modélisation de la phytoaccumulation du Cadmium par Noccaea caerulescens Lucie Lovy Thibault Sterckeman, Guillaume Echevarria Laboratoire Sols et Environnement Séminaire RP2E 28.01.10

Contexte et enjeux Naturellement présents dans tout organisme vivant Eléments Traces = Constitutifs de la croûte terrestre en très faibles concentrations Naturellement présents dans tout organisme vivant Certains indispensables au déroulement des processus biologiques = oligoéléments D’autres sans fonction biologique connue Tous les ET sont potentiellement polluants Fonction de leur concentration dans milieu considéré et de leur forme chimique

Contexte et enjeux 800 000 sites susceptibles d’être contaminés en France (EEA) Contamination eau, sol, récoltes… Risque de transfert à la chaîne alimentaire Opérer à leur dépollution Intervention de la phytoextraction : = Technique consistant en la culture de plantes hyperaccumulatrices qui maximisent concentrations en éléments traces dans parties aériennes Prévision des teneurs en ET et dynamique dans le système sol-plante au cours d’un cycle de culture

Prévoir la phytoaccumulation Objectifs Prévoir la phytoaccumulation Hypothèses : (I) Prélèvement de Cd piloté par la production de MS (fixation de C) Répartition du Cd entre solution et plante et entre différents organes de la plante peut être formalisée par des coefficients de partage spécifiques (II) Influx racinaire varie selon âge de la plante, stade phénologique, teneur en Cd

κPA κPA κPA κPR κPR κPR [M]x (t) κPx = [M]s Schéma conceptuel Développement et croissance système plante (1) κPA κPA κPA κPR κPR κPR Métal Métal Métal Modèle de culture : prise en compte de l’écophysiologie de la plante : « demande » de la plante en ET, capacité d’absorption du système racinaire « demande » de la plante Temps Facteur de bioconcentration [M]s : concentration en métal M en mol/L [M]x (t) [M]x : concentration en métal dans partie x κPx = [M]s

Q (t) = κPE (t) * [M]S * MS (t) QPA = APA * QPE κPA MSPA APA = * Démarche (I) – à partir de la production de MS Quantité métal prélevé Q(t) (mole) MS : matière sèche en kg Q (t) = κPE (t) * [M]S * MS (t) Q : quantité de métal en moles Quantité de métal dans parties aériennes QPA QPA = APA * QPE Facteur d’allocation aérienne du métal APA Facteur d’allocation racinaire du métal APR κPA MSPA APA = * APR = 1 - APA κPE MSPE

QT = ∫0 dQ = ∫0 I (t) * Sr (t) dt t t Démarche (II) – à partir du prélèvement racinaire Quantité instantanée de métal prélevé Sr (t) : surface racinaire en cm² dQ = I (t) * Sr (t) dt I (t) : influx racinaire en mole/cm²/s Quantité totale de métal prélevé à la fin de la culture QT = ∫0 dQ = ∫0 I (t) * Sr (t) dt t t Hyp : À [M]S constante, I va varier au cours du temps Décrire I (t) et Sr (t)

Expérience 1 1er semestre 2009 Etude cinétique de la phytoaccumulation du Cd par Noccaea caerulescens soumis à une concentration en Cd maintenue constante Culture en aéroponie de Noccaea pendant 3 mois Soumis à une concentration théorique de 1µM de Cd

Expérience 1 Dynamique du Cd dans Noccaea soumis à concentration constante en Cd Evolution du prélèvement avec âge et architecture du système racinaire Détermination de κPA et κPR, Sr (t) et I (t) Récoltes à intervalles de temps réguliers Mesures réalisées : Biomasse Surface foliaire, racinaire (Winrhizo) Architecture du système racinaire (Winrhizo) Dosage Cd (+Cu, Fe, Zn) PA et PR (ICP)

Expérience 1 Suivi temporel de la concentration en Cd (µM) dans la solution de culture

Expérience 1 – à partir de la production de biomasse Suivi de la MS (mg) dans le temps

MSPx CPx = MSPE Expérience 1 – à partir de la production de biomasse Suivi de la répartition de la MS entre PA et PR en fonction du temps CPx : Facteur de répartition de la MS MSPx CPx = MSPE

Expérience 1 – à partir de la production de biomasse Suivi de la concentration en Cd (mole/kg) en fonction du temps Concentration en Cd constante quelque soit âge de la plante

Expérience 1 – à partir de la production de biomasse Quantité de Cd accumulé (mole) par plante en fonction du temps

Expérience 1 – à partir de la production de biomasse Répartition du Cd entre PA et PR par rapport à la quantité de Cd total (%)

Expérience 1 – à partir de la production de biomasse Facteurs de bioconcentration κPx Affinité plus forte du Cd pour les PA que pour PR

Expérience 1 – à partir du prélèvement racinaire Suivi de la surface racinaire (cm²) en fonction du temps

Expérience 1 – à partir du prélèvement racinaire Influx racinaire de Cd (mole/cm²/j) en fonction du temps Influx calculé variable, augmente avec l’âge de la plante

Conclusions partielles Concentration dans la solution maintenue à un niveau d’exposition acceptable MS préférentiellement allouée aux PA Affinité du Cd plus forte pour les PA Influx racinaire calculé très variable Approche qui donne des premiers résultats intéressants en vue de la prédiction de la phytoaccumulation

Perspectives Exposer la plante dans les mêmes conditions de culture Niveau d’exposition différent : plus faible - élevé / témoin Continuer d’acquérir des données sur la phytoaccumulation à l’échelle du cycle de culture Obtenir floraison puis montée en graine en conditions contrôlées Faire varier la MS des compartiments à instant t Affiner les κP

Merci pour votre attention