Biodisponibilit é et biod é gradation des HAP dans la rhizosph è re Corinne LEYVAL Laboratoire...
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Biodisponibilité et biodégradation des HAP dans la rhizosphère
Corinne LEYVAL
Laboratoire des Interactions Microorganismes -Minéraux-Matière Organique dans les Sols
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-Milliers d’hectares de friches
(plus de 6 000 ha en Lorraine)
-Multipollution organique (HAP)
et métallique (ETM)
-Les techniques de traitement (désorption thermique) réduisent mais n’éliminent pas complètement pas la pollution (ETM)
-La présence de plante (rhizosphère) augmente la dissipation des HAP dans la rhizosphère, mais peu d’études in situ
-Nécessité de prendre en compte l’ensemble des polluants présents, leur toxicité et leur biodisponibilité
Contexte
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sont requis pour visionner cette image. Objectifs
-Quantifier in situ le devenir des HAP dans la rhizosphère, en interaction avec les autres polluants (organiques et métalliques) et les conséquences de leur présence dans les systèmes sol-plante
-Approche multidisciplinaire: -caractérisation exhaustive des polluants
-flux et transferts de polluants
-biodisponibilité, toxicité
-fonctions microbiennes
(gènes de dégradation des HAP)
-modélisation
photo : EPFLphoto : EPFL
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• LIMOS (UHP/CNRS, Nancy) : diversité bactérienne, plante-mycorhizeThierry Beguiristain, Aurélie Cébron, Marie-Paule Norini, Corinne Leyval
• G2R (UHP/CNRS, Nancy) : caractérisation des fractions organiquesCoralie Biache, Pierre Faure
• LIEBE (univ. Metz/CNRS) : écotoxicité, colonisation végétale spontanéeJean-François Masfaraud, Paule Vasseur
• LSE (INPL/INRA, Nancy) : fonctionnement agronomique, biodisponibilité, plante hyperaccumulatriceStéphanie Ouvrard
•LSGC (INPL/CNRS): modélisationMarie-Odile Simonnot
• GISFI: Noele Raoult
Partenaires
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Le site expérimental
Ancienne cokerie de Homécourt
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Dispositifde
ParcellesLysimétriques
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1234
5678
9101112
13141516
17181920
21222324
Terre Nue
Végétation spontanée
Thlaspi caerulescens
Medicago sativa
Medicago sativa mycorhizée
Medicago sativa
TN
VS
Tc
Ms
Msm
TD
Sol NM brut contamination ancienne en HAP
Sol NM TD ayant subi un traitement de thermo-désorption (500°C)
Dispositif de 24 parcelles lysimétriques
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• Plantes et terre (2/an)
• croissance• teneurs en métaux • HAP, hydrocarbures aliphatiques,
aromatiques, composées polaires • diversité microbienne (16S, gène de
dégradation)• écotoxicité• colonisation végétale spontanée
• Solutions (épisodes pluvieux)
•pH, Eh, O2 dissout, conductivité, mat. en suspension
•HAP et autres composés organiques métaux
•écotoxicité
Deux prélèvements/an:
T0:Sept 2005
T1 Mai 2006
T2: Sept 2006
T3: Mai 2007
T4:Sept 2007
Prélèvements et analyses
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Granulométrie (%) SG SF LG LF A
Terre NM 57,1 8,3 7,5 14,8 12,3
Terre NM traitée (TD) 56,0 14,1 9,8 9,7 10,4
pH N(g/kg)
C(g/kg)
CaCO3
(g/kg)
Ca éch.(cmol/kg)
Mg éch.(cmol/kg)
K éch.(cmol/kg)
NM 7,03 2,7 62 19,2 209 8,3 1,1
TD 8,01 0,96 58 51,2 132 2,1 1,2
16 HAP(mg/kg)
Ni(mg/kg)
Zn(mg/kg)
Cd(mg/kg)
Pb(mg/kg)
Cr(mg/kg)
Cu(mg/kg)
As(mg/kg)
NM 1924 97 2086 2,66 482 599 131 27
TD 106 103 2745 2,14 673 394 109 69
Caractérisation des terres étudiées
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0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
16-mai-06 6-juin-06 3-aoû-06 23-aoû-06 12-sep-06 12-oct-06 9-fév-07 9-juil-07 25-juil-07 10-aoû-07 22-aoû-07
Volumes percolés/pluviométrie
TD
MSm
MS
VS
TC
TN
Bilan des volumes percolés
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sont requis pour visionner cette image. Modèle hydrique de la parcelle
pluie
évapotranspiration
transport de l’eauconvection-diffusion
transfert d’eau vers les racines
Calcul avec HYDRUS 1D
Exemple : sol nu
rétention d’eau
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Thlasp
i
Luzern
e
Végéta
tion
spon
tanée
Luzern
e
myc
orhizé
e
Therm
o-
désor
ption
Terre
nue
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1500
2000
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3000
µg.
g-1 d
e so
l sec
T0 - Septembre 2005
T1 - Mai 2006
T2 - Septembre 2006
T3 - Mai 2007
Analyse des 16 HAP dans les terres au cours du temps
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Thlaspi
0%
20%
40%
60%
80%
100%
T0 T1 T2 T3
LuzerneT0 T1 T2 T3
Végétation spontanéeT0 T1 T2 T3
Luzerne mycorhizée Terre nue Thermodésorption
0%
20%
40%
60%
80%
100%
T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3
As
S
Ar
R
As
S
ArR
As: asphaltènes,S: hydrocarbures saturés, Ar: hydr.aromatiques, R: résines
Evolution des différentes familles de composés organiques (%)
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1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
TNt0
TNt1
TNt2
TNt3
VSt0
VSt1
VSt2
VSt3
Mst0
Mst1
Mst2
Mst3
TDt0
TDt1
TDt2
TDt3
ARNr 16S
HAP-dioxygenase G-
HAP-dioxygenase G+
No
mb
re d
e c
op
ies
de
gè
ne
/ g
de
so
l s
ec
Terre Nue Végétation spontanée Medicago sativa Medicago sativa
109
108
107
106
105
104
t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3
Sol NM brut Sol NM TD
Quantification par PCR en temps réel du nombre de copies de gènes 16S (bactéries totales) et HAP-dioxygénase (bactéries capables de dégrader les HAP)
Evolution de la communauté bactérienne totale et des bactéries dégradant les HAP
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% d
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HA
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6S
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TNt0
TNt1
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TNt3
VSt0
VSt1
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Mst0
Mst1
Mst2
Mst3
TDt0
TDt1
TDt2
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TNt0
TNt1
TNt2
TNt3
VSt0
VSt1
VSt2
VSt3
Mst0
Mst1
Mst2
Mst3
TDt0
TDt1
TDt2
TDt3Terre Nue Végétation
spontanéeMedicago sativa Medicago sativa
t0 t1 t2 t3
Sol NM brut Sol NM TD
1.5%
1%
0.5%
0%
1.5%
1%
0.5%
0%
HAP-dioxygénase Gram -
HAP-dioxygénase Gram +
t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3
t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3
Pourcentage de bactéries capables de dégrader les HAP par rapport à la communauté bactérienne totale
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Sur les sols: -sur végétaux (avoine et choux): faible toxicité (plus importante du sol traité par désorption thermique)- sur vers de terreaucune mortalité des vers mais reproduction faiblement diminuée (46%) avec le sol NM, et un peu moins pour DT (33%). -sur la reproduction des collemboles pas de toxicité avec les deux sols initiaux, mais tendance à une reproduction plus faible avec les modalités plantées (MS et MSm)
Sur les percolats: -pas de toxicité aigüe sur Microtox et sur les daphnies depuis avril 2006, -pas de génotoxicité sur Vicia faba (avril et mai 2006)
-un effet mutagène avec certains percolats (test d’Ames), mais pas avec le test Umu sur S.thyphimurium (ISO), moins sensible
-mais toxicité élevée sur les algues pour l’ensemble des échantillons des parcelles NM pour tous les prélèvements, et qui tend à augmenter au cours du temps-toxicité élevée sur la reproduction des Cériodaphnies.
Ecotoxicité
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Le suivi sur deux ans des parcelles montre: -teneurs en polluants stables ; -peu de transfert de HAP vers les eaux ou les organismes, -peu de différentiation entre les modalités. -hétérogénéité dans les résultats in situ
Cependant:-toxicité des terres et des percolats vis à vis des organismes (Thlaspi, colonisation mycorhizienne, reproduction des daphnies, division alguale) -présence de bactéries dégradantes (quantification de gènes) et stimulation de ces bactéries dans les parcelles plantées
-biodégradation dans ces terres limitée par la biodisponibilité des polluants
Conclusions
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sont requis pour visionner cette image. Perspectives
Nécessité de suivre à plus long terme ce type d’expérimentation: -suivre l’évolution des polluants et de leur toxicité, et
-l’augmentation des bactéries dégradantes dans la rhizosphère pouvant à terme favoriser la dégradation des HAP
-le lessivage pourrait conduire à une acidification progressive des terres, à une remobilisation à long terme des ETM
Devenir des polluants et conséquences sur les systèmes sol/eau/plante
Gestion des multipollutions
Faisabilité de technologies de remédiation biologiques
Restauration des fonctionnalités des sols contaminés et traités
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n-A
lcan
es (
m/z
= 5
7)
2 ANST INITIAL
Terre Nue
Luzerne
APPARITION DE LA SIGNATURE DES VEGETAUX SUPERIEURS DANS LES PARCELLES PLANTEES
Signature végétaux supérieursn-alcanes au nombre de carbone impair
n-Alcanes d’origine anthropique
Signatures moléculaires
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Teneur en eau (%)
0
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18
TC MS VS MSm TN TD
T0
T1
T2
T3
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Evolution de la teneur en Zinc extractible à l'EDTA dans chaque type de parcelle aux trois dates
de prélèvement
0
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100
150
200
250
300
T0 T1 T2
Dates de prélèvement
Teneur en Zinc extractible à
l'EDTA (mg/kg)
Parcelles TN
Parcelles VS
Parcelles TC
Parcelles MS
Parcelles MSM
Parcelles TD
Evolution de la teneur en Zinc dans chaque type de parcelle au cours des trois dates de prélèvement
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
T0 T1 T2
Dates de prélèvement
Teneur en Zinc (mg/kg)
Parcelles TNParcelles VSParcelles TCParcelles MSParcelles MSMParcelles TD
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sont requis pour visionner cette image.Evolution de la teneur en HAP selon leur nombre de cycles
aromatiques dans le type de parcelle TN au cours des trois dates de prélèvement
0
100
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300
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500
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700
800
900
1000
T0 T1 T2
Dates de prélèvement
Teneur en HAP (mg/kg MS)
HAP à 2 cyclesHAP à 3 cyclesHAP à 4 cyclesHAP à 5 cyclesHAP à 6 cycles
Evolution de la teneur en HAP selon leur nombre de cycles aromatiques dans le type de parcelle TC au
cours des trois dates de prélèvement
0
200
400
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800
1000
1200
T0 T1 T2
Dates de prélèvement
Teneur en HAP (mg/kg MS)
HAP à 2 cyclesHAP à 3 cyclesHAP à 4 cyclesHAP à 5 cyclesHAP à 6 cycles
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Individus
Biomasse aérienne sèche (g)
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Individus
Concentrations en Zn (mg/kg)
0
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Individus
Concentrations en Cd (mg/kg)
Biomasse Thlaspi
Zn - Thlaspi
Cd - Thlaspi
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Teneur en Zinc (mg/kg)
TD MSM MS
Evolution de la teneur en Zinc dans les trois types de parcelles (TD, MSM, MS) au cours du temps
T1
T2
0
500
1000
1500
2000
2500
ms msm td
Série1
Biomasse luzerne