I. Cycle biogéochimique des ETM

1

Biodisponibilité des éléments en trace

Un facteur clé pour la phytoremédiationdes sols contaminés

Catherine SirgueyLaboratoire Sols et EnvironnementUMR 1120 Nancy Université-INRA

I. Cycle biogéochimique des ETM

� Définitions� C’est le processus de transport et de transformation cyclique

d'un élément entre les grands réservoirs que sont la géosphère, l'atmosphère, l'hydrosphère, dans lesquels se retrouve la biosphère

� Les divers cycles en interaction confèrent à la biosphère une capacité de régulation, appelée homéostasie.

• Base de la pérennité des écosystèmes, grâce à la grande stabilité qu'elle assure

• En dehors des interventions humaines et phénomènes géoclimatiques exceptionnels

Hydrosphère Géosphère

Atmosphère

Biosphère

I. Cycle biogéochimique des ETM A. Origine

� 88 éléments dans la croûte terrestre� Dont 8 éléments constituent

99% du total

� 20 éléments significatifs

� Macro et micro-éléments

� Les micro-éléments� Vitaux aux faibles

concentrations

� Toxiques à partir d’un seuil variable

� Les éléments en traces� Facteur de pollution

� Impliqués dans les processus de transfert vers et hors du compartiment sol

0.019Nickel

0.025Zirconium

0.029Fluor

0.035Chrome

0.045Chlore

0.05Baryum

0.052Soufre

0.09 Manganèse

0,094Carbone

0.13Phosphore

0.14Hydrogène

0.62Titane

2.08Magnésium

2.58Potassium

2.75Sodium

3.65Calcium

5.05Fer

8.07Aluminium

27.69Silicium

46.71Oxygène

Pourcentage en poids dans la croute terrestre

Elémént chimique


� Le fond géochimique� Teneur « naturelle ou originale » en ETM dans le sol

en l’absence de tout processus d’apport ou d’export vers ou hors d’un site considéré (Baize, 1993)

� Il dépend :• De la concentration des ETM dans la roche mère• Des processus intervenus lors de la formation des sols

� Contribue au stock de métaux en fonction :• De la diversité des substrats géologiques• Des conditions de mise en place des matériaux• De la pédogénèse

2


� Fond géochimique dans les sols agricoles

Baize et al., 2007

Plateaux du Jura

Plateaux de Bourgogne

Aunis agricole

Saintonge agricole



Baize et al., 2007

Saintonge viticole

Champagne crayeusePlaine de la Lys

Artois/Plateau Picard

Vexin français

AutunoisAuxois



Localisation géographique des valeurs excédentaires en Cd(N = 76, Cd ≥ 2 mg kg-1)

Baize et al., 2007

Doubs

Yonne

NièvreIndre

Vienne


� Sources anthropiques� les gisements métallifères� les industries de métallurgie� l'électronique� la chimie� la combustion du carbone fossile� les matériaux agricoles et horticoles� les boues de station d'épuration� les déchets� les plombs de pêche et de chasse� les zones militaires

3


� Les retombées atmosphériques : une source essentielle d’ETM au voisinage des zones industrielles et urbaines

REP, 2008CdEnergie

REP, 2008Cd, Zn, PbFonderie

REP, 2008Cd, Zn, Pb, HgMétallurgie des métaux ferreux et non ferreux

FNE, 2009HgIndustrie de production de chlore

Martinon, 1991 ; Cambier, 1994

Cd, Cu, Zn, HgIncinération d’ordures ménagères

Sanka et al., 1995Turer, 2005

Tankari et al., 2007

Pb, Zn, Cu, Cr

Pt, Pd, Rh (pots catalytiques)

Trafic automobile

BibliographieMétaux concernésSource

Contaminations de proximité


� Les retombées atmosphériques : exemple d’une contamination au plomb� Activités depuis 30 ans :

• Réduction du Pb

• Affinage du Pb

• Fabrication de batteries

� Proximité de villages• Jardins potagers

• Transfert vers la chaîne alimentaire

Baize, 2002


� Les retombées atmosphériques : exemple d’une contamination au plomb

Teneurs agricoles habituelles50 mg Pb kg-1

Baize, 2002


� Emissions industrielles de Cd dans l’atmosphère en 2007

26%

22%22%

19%

5% 4% 1%

IREP, 2008

Sidérurgie, métallurgie, cokeEnergiePétrole et gazIndustries minéralesBois, papier et cartonChimie et parachimieDivers et servicesDéchets et traitementsMécanique, traitements de surfacesTextile et habillement, teinture, impression, laveriesEntreposage, transport, commerceAgro-alimentaire et boissons

Pour un total de 812 kg/an

4


� Emissions industrielles de Cd dans les sols en 2007

IREP, 2008

57%

40%

3%

Agro-alimentaire et boissonsBois, papier et cartonChimie et parachimieDéchets et traitementsDivers et servicesMécanique, traitements de surfacesEntreposage, transport, commerceSidérurgie, métallurgie, cokeIndustries minéralesEnergiePétrole et gazTextile et habillement, teinture, impression, laveries

Pour un total de 201 kg/an


� Les matières fertilisantes : une source majeure d’éléments en traces� De grandes surfaces sont concernées (53% du territoire)� Source de contamination de la chaîne alimentaire

Agreste, 2009


� Les matières fertilisantes :une source majeure d’éléments en traces� Teneurs élevées en ETM dans les engrais issus de

gisements : cas des engrais phosphatés

Sabiha-Javied et al., 2009


� Les matières fertilisantes :une source majeure d’éléments en traces� Amendements organiques

• Déchets et produits dérivés (composts, boues, fumiers, lisiers, eaux usées)

• Justification de leur usage par leur : – Haute valeur fertilisante– Contribution au stock humique des sols– Action sur les propriétés physico-chimique des sols

• Apport non négligeable d’ETM : accumulation dans les sols et risque de contamination de la chaîne alimentaire

5


� Les matières fertilisantes :une source majeure d’éléments en traces� Exemple d’un épandage massif d’eaux résiduaires brutes

Lamy et al. 2003



300,0 100,050,0100,02,00Valeur limite de concentration en métaux dans les sols(Décret 97-1133)

1060,0557,025,6305,06.31Site 3

830,0484,047,3275,04,84Site 2

117,054,711,327,30,69Site 1

36,320,27,78,00,28Fond géochimique local

Extraction HF mg.kg-1

ZnPbNiCuCd

Lamy et al. 2003



Lamy et al. 2003


� Les matières fertilisantes :une source majeure d’éléments en traces� Exemple de teneurs en Cu et Zn des lisiers et fumiers de porcs

Concentrations moyennes en sortie de bâtiment (en mg kg-1 MS)

30075Ecolabel européen600300Norme NFU 44-051963712Lisiers440354FumiersZincCuivre

Levasseur, 2005

6


� Les matières fertilisantes :une source majeure d’éléments en traces� Normalisation sur les amendements organiques

• Norme NF U 44-051

• Ecolabel Européen

Comparaison des valeurs limites acceptées (en mg kg-1 MS)

300600Zinc140180Plomb5060Nickel12Mercure

75300Cuivre140120Chrome1,53Cadmium

Ecolabel EuropéenNF U 44-051


� Autres voies de contamination� Stockage de déchets industriels, miniers ou pétroliers� Boue de curage des cours d’eau


� Contribution de différentes sources àl’approvisionnement moyen annuel des terres émergées en éléments en traces

68401816%Retombées atmosphériques

1211%Engrais

19382028%Déchets urbains

12206155%Déchets agricoles

38220760216103 tTotal

PlombCadmiumZincCuivreUnités

Eléments

Juste, 1990


� Bilan

Apports d’ETM

Agglomérations

Industries

Agriculture

7

I. Cycle biogéochimique des ETM B. Flux de sortie

� Différentes formes� Déplacements latéraux

ou verticaux

� Absorption et exportation par les végétaux

� Volatilisation directe vers l’atmosphère (Hg, As)

ETM


� Les entraînements verticaux� Sous formes :

• Soluble : dépend des conditions du milieu– pH– Potentiel redox

• Particulaire• Colloïdale (en association avec des argiles, de la MO

dissoute ou de la biomasse microbienne)

Augmentation de la mobilité de contaminants insolubles


� Les entraînements verticaux� Exemple : Transfert de Zn, Pb et Cd par voie soluble ou

colloïdale (Denaix et al., 2002)• Sol contaminé par les retombées atmosphériques d’une usine

métallurgique• Sol engorgé une partie de l’année : fonctionnement contrôlé par

l’oxydo-réduction• Lessivage d’argile

0,111036150-165

0,28126692-150

0,241715770-92

2,61861250-70

4,32276736-50

1538318199-36

120448082856-9

1692340119950-6

Cd (mg kg-1)Pb (mg kg-1)Zn (mg kg-1)Profondeur (cm)

litière


� Les entraînements verticaux� Exemple : Transfert de Zn, Pb et Cd par voie soluble ou

colloïdale (Denaix et al., 2002)� Concentrations moyennes en Cd, Pb et Zn dans les eaux

gravitaires filtrées à 5 µm (total) ou ultracentrifugées (dissous)

3345161665

88614383646

11112641646734

dissoustotaldissoustotaldissoustotal

Zn (µg L-1)Pb (µg L-1)Cd (µg L-1)Profondeur (cm)

Cd et Zn : transport soluble prépondérantPb : transport colloïdale = 50% du total

8


� Les entraînements latéraux� 18% du territoire français sont concernés par un aléa d'érosion

moyen à très fort soit environ 10 millions d’ha� Pertes annuelles

de 1 à 10 t ha-1 an-1

� Cause principale de dispersiondes ETM

• Des phases constitutives du sol

• Des particules légères de déchetsapportés en surface

� Viticulture et contaminationen cuivre

Ifen, 2005


� L’absorption par les végétaux� Dépend des espèces végétales et du degré de couverture du sol

par les plantes� Dépend du degré de pollution du sol par les ETM


� L’absorption par les végétaux� Teneurs en métaux dans le blé sur un secteur agricole

contaminé par des émissions de poussières

Seuils alimentation humaine(grains)

CSHFP (mg kg-1 MF)Cd : 0,1Pb : 0,5

Zn : pas de seuil

Seuils alimentation animale(pailles)

CSHFP (mg kg-1 MS)Cd : 1,13

Pb : 45Zn : pas de seuil

Douay et Sterckeman, 2002


� L’absorption par les végétaux� Teneurs en métaux ans la laitue de sols de jardins contaminés

par des émissions de poussières

Seuils alimentation humaine(grains)

CSHFP (mg kg-1 MF)Cd : 0,1Pb : 0,5

Zn : pas de seuil


9


� L’absorption par les végétaux

Relations entre les concentrations en métaux dans les blés et celles dans les sols (mg/kg)

Relations entre les concentrations en métaux dans les laitues et celles dans les sols (mg/kg)


II. Biodisponibilité des ETM dans les solsA. Définition

� Relation entre paramètres pédogéochimiqueset teneur en Cd dans des grains de blé� Programme QUASAR

• Connaître les teneurs en ETM dans les sols et les grains de blé

– En raisonnant par série de sols

– Sans épandage de boues ou autres déchets

• Savoir s’il existe une relation entre type de sol et qualité des grains de blé

• Savoir si les épandages de boues d’épuration modifient significativement la composition des grains

• Tester des techniques de laboratoire afin d’évaluer l’exposition des plantes aux ETM

� 10 séries de sols� Environ 12 sites par série (119 échantillons)

Sapin-Didier et al., 2002


� Relation entre paramètres pédogéochimiqueset teneur en Cd dans des grains de blé

Sapin-Didier et al., 2002

Grande dispersion des valeurs

Effet pH


� Définition : aptitude d’un contaminant à être transféré d’un compartiment quelconque du sol vers une cible (plante, animal, microorganisme)

� Disponibilité chimique : processus de partition et d’équilibre déterminant la taille des fractions potentiellement et effectivement disponibles.

� Disponibilité biologique : processus d’absorption de la fraction des contaminants chimiquement disponibles. Ces processus sont spécifiques de l’organisme, du contaminant et de l’environnement.

DangerOrganisme

Risque�Bioaccessibilité

�Biodisponibilité

10


Plante

� Fourniture� Capacité de rétention� Composition

de la solution du sol� Eh� pH

Org

Org

Org

Org

Phase solide Solution du sol

� Transport

� Flux de masse� Diffusion

n+

n+

n+

n+

n+n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+

� Absorption� Transporteurs

� Translocationet stockage

InInIn n+

n+

n+

n+

n+


� Spéciation des métaux et biodisponibilité� Distribution d’un élément entre ses différentes

espèces chimiques

Matière organique du sol

Matière minérale du sol

Solution du sol

Grande mobilité� Métaux adsorbés (argiles, oxydes de Fe et de Mn, matière organique, carbonate de Ca)

Mobilité moyenne� Métaux complexés à la MO� Métaux incorporés dans les êtres vivants (pédoflore, pédofaune, microorganismes du sol)

Mobilité faible� Métaux précipités (phosphates, sulfures, hydroxydes, sels organiques, sels inorganiques, carbonates…)

Mobilité très faible� Métaux inclus dans les minéraux primaires ou secondaires (silicates)

II. Biodisponibilité des ETM dans les solsB. Méthodes de mesure

� Fractionnement physique� Première étape pour déterminer la spéciation des ETM� Séparation des constituants de l’échantillon en fonction de leur

taille� Localisation des ETM au sein des fractions isolées

� Approche des compartiments fonctionnels� Entités ayant des caractéristiques physico-chimiques,

densimétriques ou magnétiques semblables� Propriétés voisines en termes de nature ou de réactivité vis-à-vis

des ETM� Liens avec le fonctionnement du sol (agrégats, micro-agrégats)

� Isolement des phases concentrées en ETM� Etude via des techniques complémentaires : localisation des

ETM sur les phases porteuses� Diffraction des rayons X, microscopie optique et électronique


� Localisation des ETM dans les fractions granulométriques

8 fractions granulométriques

QuartzMinéraux primairesFragments de débris végétaux

Argiles grossièresQuartzMinéraux type amphibole ou phosphaté

Argiles phyllosilicatésOxydes de ferMO fine

Elsass et al., 2002

11



Fractions <2µm et 2-20µm.

Diminution des quantités avec la distance

� Particules de poussières industrielles de la taille des limons fins

� Altération partielles des limons et relocalisation de Zn sur les particules les plus fines et les plus réactives

� Fraction >500 µm : association privilégiée des ETM avec les particules organiques grossières

Elsass et al., 2002



Fernandez-Cornudet, 2006

0

1000

2000

3000

4000

5000

<2 2-20 20-50 50-100 100-200 200-2000

Fractions granulométriques (µm)

Ten

eur

en C

d (

µg/g

)

Prairie Culture

0

5

10

15

20

25

30

35

<2 0-20

20-50

50-100

100-200

200-2000

Cd

(%

du

sto

ck t

ota

l) PrairieCulture

2 modes principaux

1 mode principal

Sol de prairie

�Rôle de l’activité lombricienne�Augmentation de la mobilité potentielle du Cd

200-2000100-20050-100

20-50

2-20

<2Fractions granulométriques


� Spéciation en phase solide : méthodes spectrométriques� XPS : Spectrométrie de photoélectron induits par

rayon X (ESCA)� XRD : spectrométrie par diffraction des rayons X

� EXAFS : spectrométrie d’absorption des rayons X

� FTIR : spectroscopie infrarouge à transformation de fourrier

� RMN : résonnance magnétique nucléaire

� LRMA : microanalyse laser RAMAN

� SIMS : spectrométrie de masse à ionisation secondaire


Séby et Donard, 2007

12


� Détermination des phases porteuses des ETM dans les fractions <20µm� Cas des oxyhydroxydes de fer

• Présence majeure du Zn

• Rôle dans l’immobilisation du Zn par adsorption

• Transfert vers les plantes liée à l’altération des composé ferrifères pour la nutrition en Fe des plantes � risques potentiels

Elsass et al., 2002


� Détermination des phases porteuses des ETM dans les fractions <20µm� Cas des sulfates et sulfures

• Teneurs les plus élevées en Zn et Cu

• Faible solubilité dans le sol

Elsass et al., 2002


� Détermination des phases porteuses des ETM dans les fractions <20µm� Cas des phosphates

• Très stables � piège pour les métaux

• Présence majeure du Pb

• Transfert vers les végétaux ?

Elsass et al., 2002


� Extractions sélectives� Extraction d’une fraction de la quantité totale de métaux par

l’intermédiaire de réactifs chimiques� Cas du réactif unique : spéciation fonctionnelle par mesure des

métaux traces échangeables• Solutions salines tamponnées ou non (CaCl2, Ca(NO3)2, NH4NO3 de

0,001M à 1M)• Acides faibles (acide acétique, acide citrique)• Acides forts dilués (HNO3, HCl)• Solutions complexantes

(DTPA, EDTA)

� Corrélation avec la quantitéd’élément prélevée par une plante test

� Problème de généricité

r = 0.935; n=26

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10 12 14

Cd dans le ray-grass (mg kg-1 MS)

Cd

extr

act

ible

ave

c C

aC

l 2 0

,1 M

(mg

kg-1

MS

)

Wu, 1989

13


� Extractions sélectives� Cas d’une association de réactifs : les extractions

séquentielles• Spéciation par localisation des métaux dans les compartiments du

sol susceptibles de les fixer (MO, oxyhydroxydes de fer, carbonates…)

• 5 étapes successives = 5 fractions ou compartiments = 5 réactifs chimiques

• Biais– Non sélectivité des réactifs chimiques (acidité des réactifs)– refixation des métaux extraits

Fraction résiduelleHCl + HClO4

Liés aux MOEaux oxygénée (pH 2)

Liés aux oxydesHydroxylamine (pH 2)

Liés aux carbonatesAcétate de sodium (pH 5)

ÉchangeableChlorure de Mg (pH 7)

Forme des métauxRéactifs selon le protocole de Tessier


� Méthodes isotopiques� Suspension sol-solution à l’équilibre thermodynamique



Solution du sol

Injection de Cd109

[Cd]

t

rt/R

t injection


� Méthodes isotopiques� Diffusion des ions marqués dans tous les compartiments du sol



Solution du sol

[Cd]

t

rt/R

t injection





Solution du sol

[Cd]

t

rt/R

t injection

14





Solution du sol

[Cd]

t

rt/R

t injection

II. Biodisponibilité des ETM dans les solsB. Mesure chimique de la biodisponibilité

� Méthodes isotopiques� Modélisation de la décroissance

de la radioactivité

� Compartimentation des métaux : pools échangeables du Cd

rt/R

tempsrt/R = r1/R [t + (r1/R)

1/n] t-n + Ms/Mt

solu

tio

n

E0-

1 m

in

E1min-24h E24h-6mois E>6mois


� Méthodes isotopiques� Modélisation de la décroissance

de la radioactivité

� Compartimentation des métaux : pools échangeables du Cd• E0-1min : pool des ions libres échangeables

sans modifications chimiques• E1min-24h : pool des ions échangeables pendant la durée

d’absorption d’une zone racinaire• E24h-3mois : purée de vie moyenne du système racinaire• E3mois-1an : saison culturale complète• E>1an : non disponible pour la plante

rt/R

tempsrt/R = r1/R [t + (r1/R)

1/n] t-n + Ms/Mt

Pouvoir tampon E0-1min/CM

E1min-24h

E24h-3mois

E>1an

E3mois-1an

CM


� Spéciation en phase liquide� Détermination analytique : mesure de l’activité des métaux

• Électrodes ioniques spécifiques : mesure des ions libres• Méthodes voltamétriques : mesure des métaux labiles• Résines échangeuses d’ions : mesure de l’activité ou de la labilité

des métaux� Modèles d’équilibre chimique

• Calcul de la spéciation d’un système à l’équilibre• Basé sur les concentrations totales• Efficacité dépendantes de l’exactitudes des constantes d’équilibre

Plante

Org

Org

Org

Org

Org

Org

Org

Org


n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+

InInIn

InInIn n+

n+

n+

n+

n+n+

n+

n+

n+

n+

15

II. Biodisponibilité des ETM dans les solsC. Mesure biologique de la biodisponibilité

� Prise en considération de la demande de l’organisme cible� Réponse spécifique

� Mesure du facteur de bioconcentration� Accumulation d’ETM

dans la biomasse� Transfert réel des ETM� Risque de contamination

de la chaîne alimentaire

� Plusieurs niveaux trophiques� Tests microbiologiques� Tests faune� Tests plantes


Organisme cible

Alimentation

Kp

Facteur de bioconcentration

Corganisme/Csol

CroissanceMétabolismereproduction


Organisme cible

Alimentation

Kp

Facteur de bioconcentration

Corganisme/Csol

CroissanceMétabolismereproduction

III. Facteurs contrôlant la disponibilité des ETM

� Le pH� Aux bas pH

• Mise en solution de sels métalliques• Destruction des phases de rétention

� Aux pH élevés• Immobilisation par complexation et/ou précipitation• Augmentation de la CEC

� Variation linéaire dans la gamme 4<pH<7• Modélisation de la mobilité des ETM• Indice de pouvoir mobilisateur du sol

– Q = 10-ApH/CEC– A = -1 pour Cd, Ni, Pb, Zn– A = 0 pour Cu

� D’autres éléments présentent un comportement opposé

• Augmentation de la mobilité avec le pH• Mo, As, Se

Célardin, 2002

Po

urc

enta

ge

de

mét

al s

olu

ble


� Le potentiel d’oxydo-réduction� Facteurs de variation

• Pratiques culturales (irrigation, tassement, apport de MO dégradable)

• Climat

� Impact• Augmentation de la mobilité de certains ETM (Fe, Mn)• Libération des ETM fixés sur les oxyhydroxydes de Fe et Mn

Trolard et al., 2002

Milieu oxydant

Milieu modérément réduit


� Les phases porteuses de métaux� Les matières organiques

• Grande affinité pour les ETM : immobilisation

Lamy et al., 2002

Facteur d’enrichissement faible et qui diminue avec la taille des

particules pour des concentrations en ETM élevées

Facteur d’enrichissement élevé et stable pour des

concentrations en ETM faibles

Action des êtres vivants dans l’accumulation des ETM sur les MO

16


� Les phases porteuses de métaux� Les matières organiques

• Grande affinité pour les ETM : immobilisation

• Remobilisation après minéralisation

• Rôle du carbone organique dissous

– Effet pH : ↑pH � ↑COD � complexation des ETM

– Augmentation de la mobilité

– Plus faible absorption des complexes organo-métalliques par les plantes

Plante

Org

Org

Org

Org

Org

Org

Org

Org


n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+

InInIn

InInIn n+

n+

n+

n+

n+n+

n+

n+

n+

n+


� Les phases minérales� Silicates d’aluminium

(argiles)

� Oxyhydroxydesde Fe, Al et Mn

� Phases cristallines• Sulfates/sulfures• Phosphates• Carbonates

Denaix et al., 2002

IV. Implication pour la phytoremédiationA. Phytoextraction

� Principe� Utiliser des plantes pour extraire les polluants des sols

(éléments en traces) • Plantes accumulatrices à forte production de biomasse

(Brassica juncea, Salix)

• Plantes hyperaccumulatrices(Thlaspi caerulescens, Alyssum murale)

0ZnSO4 ZnO ZnS

1000

2000

4000

5000

Formes du Zn apporté

Zn

dan

s la

bio

mas

se a

érie

nn

e (µ

g g

-1)

3000

ZnCO3 Zn Sans Zn

MétallicolesNon métallicoles

***

***

***

*** ** **0ZnSO4 ZnO ZnS

1000

2000

4000

5000


Zn

dan

s la

bio

mas

se a

érie

nn

e (µ

g g

-1)

3000

ZnCO3 Zn Sans Zn

MétallicolesNon métallicoles

0ZnSO4 ZnO ZnS

1000

2000

4000

5000


Zn

dan

s la

bio

mas

se a

érie

nn

e (µ

g g

-1)

3000

ZnCO3 Zn Sans Zn

MétallicolesNon métallicolesMétallicolesNon métallicoles

***

***

***

*** ** **

� Phytoextraction et biodisponibilité des métaux

� Les concentrations en métaux dans les parties aériennes dépendent de la biodisponibilité des métaux dans les sols

� La phytoextraction des métaux n’est possible que si leur biodisponibilité est suffisante

1 10 100 1000100

1000

10000

20000

Ni du sol extractible (µg g-1)

Ni d

ans

la b

iom

asse

aér

ien

ne

(µg

g-1

)

Thlaspi caerulescens

Robinson et al., 1997; Meerts et al., 2003

Berkheyia coddii


17

Non phytodisponible Phytodisponible

Hyperaccumulateur

Non accumulateur

Compartiment réduit par le prélèvement végétal

?


� Effet d’hyperaccumulateurssur les métaux phytodisponibles

� Sélection d’une espèce adaptée� Epuisement du Ni biodisponible du sol

après 3 mois de culture

• Leptoplax emarginata est le meilleur candidat

• La phytoextraction est dépendante du type de sol

Chardot et al., 2005

0

10

20

30

40

50

% N

i bio

dis

po

nib

le

Limon SerpentineCalcaire

a

a

a

Leptoplax

emarginata

b

b

b

Bornmuellera

tymphæa

b

b

cThlaspi

caerulescens

b

b

bc

Alyssum murale


� Dépletion du Cd disponible du sol après trois mois de culture avec différentes espèces végétales

� T. caerulescens a une plus forte aptitude à vider le compartiment biodisponible que les plantes “normales”

Gérard et al., 2000

Lolium perenne 0.08 0.10 0.10

Lactuca sativa 0.33 0.38 0.55

Cd initial dans le sol (mg kg-1) 8.9 15.1 25.4

Thlaspi caerulescens 22.4 11.7 14.1

Cd extrait / Cd biodisponible


0

1

2

3

4

Sol 1 Sol 2

Mét

aux

extr

aits

(%

mét

al t

ota

l /ly

sim

ètr

e)


� Dépletion du Cd disponible du sol après 6 mois de culture avec T. caerulescens

Clay Silt Sand OM CEC pH Zn Cd Ni Cd H2O% cmol kg-1

soil 1 15 53 32 6.4 11.9 7.9 1896 25.7 22 0.10soil 2 5 63 32 3.0 4.1 8.4 796 11.6 10 0.03

% HF mg kg-1 mg kg-1

Sirguey, 2004

0

4000

8000

12000

Sol 1 Sol 2

ZnCd

Mét

aux

dan

s la

bio

mas

se

aéri

enn

e sè

che

(mg

kg

-1)

1/7

1/3

18

57%

30%

78%

7% 15% 13%

� Évolution des pools échangeables du Cd

E(> 6m)

14%9%

37%

54%

E(1'-6m)

65%

E(0-1')

21%


Avant culture Après culture

Sol 1

Sol 2

� Contenu en acide citrique des racines actives d’Alyssum bertolonii

� En absence de Ni, les plantes exsudent des acides organiques dans la rhizosphere pour favoriser la mobilisation des métaux

Boominathan et al., 2003

Concentration en acide citrique (µmol g-1 de masse sèche)

Jours

200

150

100

50

00 5 10 15 20 25 30

sans Ni

avec Ni


Phytoextractioncontinue...

...et assistée

IV. Implication pour la phytoremédiationB. Phytoextraction assistée

Wenzel et al., 2003

Bio

dis

po

nib

ilité

(mg

kg

-1so

l)

Date


� Phytoextraction assistée : exemple du colzaL’EDTA augmente fortement les pools labiles de métaux…

EDTA EDTA

19

Mét

aux

dan

s la

pla

nte

(m

g k

g-1

MS

)

Date

… mais, le transfert est peu modifié


� Phytoextraction assistée : exemple du colza

Wenzel et al., 2003


� Phytoextraction assistée : exemple du colza� L’EDTA augmente fortement le lessivage des métaux dans

les sols� Risque écotoxicologique� Persistance du lessivage des métaux plusieurs mois après

l’application� Toxicité parfois trop élevée pour les plantes pour pouvoir

assurer une réelle amélioration de la phytoextraction

� Utilisation de plantes hyperaccumulatrices ?

IV. Implication pour la phytoremédiationC. Phytostabilisation

� Principe� Utiliser des plantes et des amendements pour

immobiliser les polluants du sol

Plante

Org

Org

Org

Org


n+

n+

n+

n+n+

n+

InInIn

n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+

n+


� Parcelles expérimentales amendées � En matières organiques

• Fumier (50 t/ha)

• Boues d’épuration contaminées en Cd et Ni par des effluents d’une usine de batteries (50 et 300 t/ha)

� En produits « fixateurs » d’ETM• Béringite : 50 g/kg terre

– Cendre volante alcaline (silicate d’aluminium)

– Teneurs en métaux : 10 mg Cd kg-1 ; 100 mg Ni kg-1 ; 600 mg Zn kg-1

• Grenaille d’acier : 10 g/kg terre

– Libération d’oxydes de Fe et de Mn par oxydation

– Teneurs en métaux : <10 mg Cd kg-1 ; 1000 mg Ni kg-1 ; 100 mg Zn kg-1

� Culture de maïs

Mench et al., 2002

20

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Co

ncen

trat

ion

en

Cd

(m

g/k

g M

S)

des

gra

ins

de

maï

s

NT GB NT GB NT GB

Fumier Boue 50 Boue 300


� Evolution des métaux extractibles

0

20

40

60

80

100

Fumier Boue 50 Boue 300

Dim

inu

tio

n d

es m

étau

x ex

trac

tib

les

(%)

Cd - BeringiteCd - GrenailleNi - BeringiteNi - Grenaille

Mench et al., 2002

Diminution des métaux extractibles

Et diminution du transfert vers les plantes

V. Conclusion

� La biodisponibilité des métaux est :� Un facteur clé dans l’évaluation du risque de transfert

des ETM du sol vers les autres compartiments de l’environnement

� Un facteur limitant pour la mise en œuvre des techniques de phytoremédiation

� Peu ou pas prise en compte actuellement dans la réglementation

• Nécessité de faire évoluer la législation et les mentalités

I. Cycle biogéochimique des ETM

Documents

Transcript of I. Cycle biogéochimique des ETM