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

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

Mise en perspective: exemples de techniques de remédiation des sols Excavation et traitement hors site (400 000t) Incinération Enfouissement Hydrocarbures : Traitement biologique en centre collectif Excavation et traitement sur site (400 000t) Hydrocarbures volatils : désorption thermique Hydrocarbures et métaux : Lavage, Biotertres Traitement in-situ sans excavation (450 000t) Confinement Bioaugmentation, Ventilation forcée Phytoremédiation PC: lavage des sols Volumes traités en France (source : ADEME http://www2.ademe.fr)

Excavation + désorption thermique Problème : Sols pollués Eaux polluées Excavation + désorption thermique

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

Définition Phytoremédiation = Utilisation de végétaux et de leurs microorganismes associés pour la dépollution de l’environnement Dégradation et séquestration des polluants organiques et inorganiques

Aspects historiques Phytoremédiation de l’eau : 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 1980-1990 : vaste programme de phytorecultivation sur > 1 millions d’ha École américaine Études plus approfondies --< profondeur, aération artificielle, valorisation des sous-produits, problèmes de moustiques et d’odeurs

Aspects historiques Années 90 1994 : premier brevet (Phytotech Inc) Quelques pionniers dont Ilya Raskin développent le concept de phytoextraction 1994 : premier brevet (Phytotech Inc) Procédé d’extraction 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 ans de R&D après… 2000 : Premier guide de la phytoremédiation publié par l’agence nationale de l’environnement des USA Programme COST 837 en Europe

Champs d’application Préventif : Curatif Végétalisation de décharges Traitement des effluents industriels et de stations d’épuration Zones tampons Curatif Accidents industriels Friches industrielles Activités minières Pétrochimie et Agrochimie Sols agricoles Site militaires

Végétalisation de décharges Source : http://www.ecolotree.com

Stations d’épuration 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 http://www.fao.org/docrep/008/a0026f/a0026f11.htm

Accidents industriels Pollution accidentelle dans le Wisconsin : hydrocarbures, HAP et organochlorés Source : http://www.ecolotree.com

Friches industrielles Métaux lourds Cokerie d’Homécourt (Lorraine, Arcelor) Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)

Aspects techniques essentiels associés à la phytoremédiation

Typologie des techniques Polluants inorganiques et organiques Phytoextraction Phytovolatilisation Phytostabilisation Rhizofiltration

Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol Phytoextraction Transfert des polluants vers les parties aériennes: Niveau de bioaccumulation ? Niveau de translocation ? Récolte Confinement ou recyclage Moutarde brune / cadmium : Feuilles 1000 Racines 6000 Phytomining Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

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

Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol Phytostabilisation Prévention : Infiltrations Flux horizontaux Érosion Conversion en formes moins biodisponibles Précipitation Adsorption racinaire Pb2+ et Cr3+ Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

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

Filtration de l’arsenic par des fougères Coût : adapté pour des faibles volumes fortement contaminés Elles et al. 2005 Water Research

Construction de zones humides artificielles filtrantes Se Nitrate, phosphate, herbicides Site de la TEMCO http://www.rpdc.tas.gov.au/soer/image/280/index.php

Typologie des techniques Dégradation des polluants organiques Phytodégradation Rhizostimulation ou Phytostimulation

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

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

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

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

Espèces classiques en zones humides Lentille d’eau Spartine Jacinthe d’eau

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

Les plantes hyperaccumulatrices > 1 % Nickel Alyssum bertolonii

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

Facteurs physiologiques généralement responsables de l’hyperaccumulation 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 d’Astragalus bisulcatus

Phytoextraction continue D’après Salt, Smith et Raskin 1998 Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 49:643–68 Phytoextraction continue Phase de prélèvement de métaux Phase de croissance Récolte Implique des espèces : Tolérantes Accumulatrices

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

Un exemple de chélatant : l’EDTA Attention à la percolation !!

Compromis biomasse / accumulation Sol contaminé en Zn + Cd Biomasse X Teneur Rendement d’extraction Moutarde + EDTA 10 t / ha 500 mg / kg 5 kg / ha Thlaspi+ EDTA 5 t / ha 25 000 mg / kg 125 kg / ha Conclusions différentes en fonction du couple espèce / pollution et des contraintes agronomiques

Principaux polluants concernés Polluants inorganiques Polluants organiques

Polluants inorganiques Macroéléments Métaux lourds et ETM Radionucléides

Pollutions par des macroéléments

Pollutions inorganiques Métaux lourds et éléments traces métalliques (ETM)

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

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

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

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

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

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

Nickel : Rôle de l’histidine dans l’hypertolérance Krämer et al. (1996) Nature 379, 635 - 638

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

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

Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) Log Kow Cœfficient de partage octanol/eau

Phytodégradation du TCE par des peupliers Gordon et al. 1996 Environmental Health Perspectives. 106: 1001-1004. Cellule 8 non-plantée

Approches transgéniques

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

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

Phénotype des transformants Zhu et al. 1999 Plant Physiology

Augmentation de la translocation de Cd vers les parties aériennes Caractérisation fonctionnelle et surexpression d’une P-ATPase chez Arabidopsis

Problème : translocation<50% Cd chélaté, séquestré Problème : translocation<50% Cd2+ biodisponible Canaux et transporteurs calciques Transporteurs de Fe

Identification de transporteurs potentiellement intéressants pour la phytoremédiation Arbre phylogénétique des P-ATPases d’Arabidopsis thaliana

Adressage membranaire d’AtHMA4 Témoin GFP soluble HMA4::GFP Verret et al. FEBS 2004

Expression tissulaire d’AtHMA4 Verret et al. FEBS 2004

Phénotype du surexpresseur d’HMA4 Col-0 HMA4ox Cd 40µM Verret et al. FEBS 2004

Translocation des métaux chez le surexpresseur d’HMA4 Verret el al. 2004 FEBS

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

Identification d’un facteur de tolérance au cadmium chez la levure: YCF1 Song et al. (2003) Nature Biotechnology 21 (8): 914-919

Confirmation de l’adressage vacuolaire de YCF1 exprimé chez Arabidopsis Song et al. (2003) Nature Biotechnology 21 (8): 914-919

Amélioration de la tolérance et de l’accumulation chez les surexpresseurs Song et al. (2003) Nature Biotechnology 21 (8): 914-919

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

Expression de merA dans une plante Problématique Sources: Feux de forêt, activité volcanique Combustion du charbon, orpaillage, industries diverses Le Hg(II) n’est 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

Liriodendron tulipifera (Magnoliaceae)

Criblage des cals exprimant MerA Rugh et al. 1998 Nature

Criblage des cals résistant au Hg(II) Rugh et al. 1998 Nature Biotechnology

Phénotype du transformant : volatilisation du Hg(0) Rugh et al. 1998 Nature

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

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

Hannink et al. 2001 Nature Biotech Phytodégradation du TNT par une plante exprimant une nitroréductase bactérienne Hannink et al. 2001 Nature Biotech

Expression de la NR dans le tabac 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

Phénotype des transformants témoin TNT 0.05 mM TNT 0.1 mM Hannink et al. 2001 Nature Biotech

TNT résiduel dans les tissus Hannink et al. 2001 Nature Biotech

Explosifs RDX TNT

Effet de la surexpression chez une plante d’un cytochrome P450 bactérien capable de dégrader le RDX

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

Aspects économiques et industriels

Aspects financiers Aspects financiers de l’aide à la décision Prédiagnostic: 2300 euros Diagnostic : 30 000 euros Étude de faisabilité : 75 000 euros Prédiagnostic: analyse historique du site et étude de la sensibilité du site Diagnostic: réalisation d’investigations permettant d’aboutir éventuellement au classement du site Etude de faisabilité Source : ADEME

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