Une « technologie verte » pour la dépollution

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

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

3 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 PC: lavage des sols Volumes traités en France (source : ADEME

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

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

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

7 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 : 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

8 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

9 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

10 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

11 Végétalisation de décharges
Source :

12 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

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

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

15 Aspects techniques essentiels associés à la phytoremédiation

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

17 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

18 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

19 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

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

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

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

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

24 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)

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

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

27 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

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

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

30 Les plantes hyperaccumulatrices
> 1 % Nickel Alyssum bertolonii

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

32 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

33

34 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

35 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

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

37 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 mg / kg 125 kg / ha Conclusions différentes en fonction du couple espèce / pollution et des contraintes agronomiques

38 Principaux polluants concernés
Polluants inorganiques Polluants organiques

39 Polluants inorganiques
Macroéléments Métaux lourds et ETM Radionucléides

40 Pollutions par des macroéléments

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

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

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

44 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

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

46

47 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

48 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

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

50 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.

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

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

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

54 Approches transgéniques

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

56 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

57 Phénotype des transformants
Zhu et al Plant Physiology

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

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

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

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

62 Expression tissulaire d’AtHMA4
Verret et al. FEBS 2004

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

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

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

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

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

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

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

70 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

71 Liriodendron tulipifera (Magnoliaceae)

72 Criblage des cals exprimant MerA
Rugh et al Nature

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

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

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

76 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

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

78 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

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

80 TNT résiduel dans les tissus
Hannink et al Nature Biotech

81 Explosifs RDX TNT

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

83 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

84 Aspects économiques et industriels

85 Aspects financiers Aspects financiers de l’aide à la décision
Prédiagnostic: 2300 euros Diagnostic : euros Étude de faisabilité : 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

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