Diversité végétale en phytoremédiation : la complémentarité fonctionnelle pour gérer efficacement la contamination multiple des sols

Abstract

La phytoremédiation est une technologie de dépollution des sols basée sur les habiletés naturelles des végétaux à épurer leur substrat des contaminants qui s’y trouvent. Cette approche comporte plusieurs avantages en comparaison aux méthodes conventionnelles utilisées en gestion des terrains contaminés. Contrairement à ces dernières, elle n’implique que rarement des travaux d’excavation et de transport de sol, ce qui contribue grandement à son faible impact environnemental et son coût abordable. Ces avantages économiques et environnementaux s’ajoutent au caractère esthétique et écologique des systèmes végétaux employés en phytoremédiation. Le type de contamination du sol déterminera l’approche de phytoremédiation à adopter. Toutefois, les composés chimiques exogènes présents dans le sol d’un site dégradé sont souvent de nature variée, en plus d’être distribués de manière hétérogène. La phytoremédiation doit pouvoir tenir compte de cette situation complexe. La littérature scientifique fait état de nombreuses espèces végétales présentant des habiletés de remédiation des sols. Les principales habiletés sont la capacité d’absorber et de métaboliser les contaminants, ou encore celle de dégrader des composés organiques directement dans le sol, grâce à la production d’exsudats racinaires et avec l’aide de la communauté microbienne de la rhizosphère.. Les espèces végétales présentant certains de ces traits sont nombreuses, mais rares sont celles qui possèdent des habilités de remédiation pour plusieurs composés chimiques. Dans un contexte de contamination multiple, il apparait alors judicieux d’assembler différentes espèces de manière à obtenir un ensemble complémentaire d’habiletés de remédiation qui sera adapté au site visé. En plus de cet argument technique, une telle approche promouvant la diversité s’inscrit dans la lignée des nombreuses études mettant en évidence les bienfaits de la biodiversité pour la productivité et le fonctionnement des agro-écosystèmes. De manière à explorer la pertinence d’une approche de diversification végétale pour la phytoremédiation, trois études ont été menées. En premier lieu, une investigation fut conduite sur le site d’un ancien bassin de décantation. Celle-ci visait à mettre en lumière l’influence que pouvait avoir l’hétérogénéité de la contamination sur la répartition en espèces d’une communauté végétale. Une analyse multivariée a pu démontrer qu’une grande partie de la distribution spatiale de la végétation sur le site pouvait être expliquée par celle des contaminants. Ce résultat suggère l’existence de niches écologiques de résistance aux contaminants et appuie la pertinence d’utiliser différentes espèces végétales en phytoremédiation en situation de contamination multiple. Une deuxième étude, réalisée en pots, avait pour objectif d’explorer le potentiel de quatre espèces commercialement disponibles, c.-à-d. le saule arbustif (Salix miyabeana `SX67`), la moutarde indienne (Brassica juncea), la luzerne (Medicago sativa) et la fétuque érigée (Festuca arundinacea), pour la phytoremédiation d’un sol contaminé par trois éléments traces, soit l’argent (Ag), le cuivre (Cu) et le zinc (Zn). Chacune des espèces a su démontrer des aptitudes concrètes de phytoextraction, mais pour seulement un des éléments traces. Les résultats issus de cette deuxième étude suggèrent à nouveau qu’un système de phytoremédiation à plusieurs espèces serait approprié pour la phytoremédiation des sols à contamination multiples. Enfin, une troisième étude en mésocosmes a porté sur la richesse spécifique en phytoremédiation, en comparant des systèmes végétaux à une, deux et trois espèces, pour la remédiation d’un sol contaminé par huit éléments traces. En monoculture, S. miyabeana ‘SX67’, M. sativa et F. arundinacea ont présenté des patrons d’allocation de biomasse complémentaires, ainsi que des habiletés de remédiation distinctes. Bien que pour un élément trace donné, assembler les espèces ne semblait pas représenter une solution plus performante, en considérant la remédiation d’un ensemble d’éléments, une approche de combinaisons d’espèces semblait répondre plus efficacement à une problématique de contamination complexe. Des interactions facilitatrices d’accessibilité en azote ont aussi pu être observées dans certains assemblages, ajoutant à l’intérêt d’adopter une approche multispécifique. Cette thèse de doctorat a été en mesure d’amasser une quantité substantielle d’évidences scientifiques originales suggérant que les assemblages d’espèces sont appropriés pour la phytoremédiation des sols à contaminations multiple.

Phytoremediation is a plant-based technology using plant’s natural abilities to remove contaminants from their substrate. This technique comes with numerous advantages compared to conventional contaminated soil management. Since it is usually implemented in situ, it rarely involves soil excavation and transport, which contributes to its negligible environmental impact and affordable cost. These economic and environmental advantages add to the valuable esthetic and ecological properties of the plant systems involved in phytoremediation. By its nature, soil contamination can represent a challenge for phytoremediation. Chemical compounds inside the soil of degraded areas are often miscellaneous as well as heterogeneously distributed. This level of complexity in soil contamination must be taken into account when designing phytoremediation initiatives. The scientific literature reports several plant species presenting characteristics of interest for phytoremediation such as inorganic element absorption or organic compounds degradation by the internal metabolism or the rhizospheric community that is supported by the plants. However, although these plant species are numerous, only a small number are known to possess remediation abilities towards multiple compounds. In a context of complex soil contamination, it therefore appears wise to assemble plant species in order to obtain a set of remediation abilities that will be adapted for the target site. In addition to this technical argument, such an approach promoting diversity goes along with studies highlighting benefits of biodiversity for productivity and general functioning of agro-ecosystems. In order to explore the relevance of adopting of a diversified approach in phytoremediation, three studies were conducted. A first investigation was led on the area of a former decantation basin. The objective was to investigate the influence that the spatial distribution of the contaminants could have on the species repartition of a ruderal plant community. A multivariate analysis was used to demonstrate that most of the species spatial pattern could be explained by the contaminant distribution on this site. This evidence suggests the existence of ecological niches of resistance to pollutants and therefore supports the use of different plant species for phytoremediation of complex contaminated soil. A second study conducted as a pot trial aimed at exploring the potential of four commercially available species i.e. willow (Salix miyabeana `SX67`), alfalfa (Medicago sativa), indian mustard (Brassica juncea) and tall fescue (Festuca arundinacea), for phytoremediation of a soil contaminated by three trace elements, namely silver (Ag), copper (Cu, and zinc (Zn). Each of the species demonstrated phytoextraction abilities but only for one of the trace elements. The results gathered from this experiment point towards the existence of species-specific remediation abilities and suggest that plant combination could be appropriate for remediation of soil contaminated by multiple elements. A third experiment in mesocosm directly investigated the effect of plant diversity in phytoremediation by comparing one, two and three species systems for remediation of a soil contaminated by eight trace elements. In monoculture, S. miyabeana, M. sativa and F. arundinacea demonstrated complementary biomass allocation patterns as well as distinct remediation abilities. While for the remediation of a specific trace element assembling species did not seem to enhance phytoremediation efficiency, when considering a set of trace elements simultaneously, an approach combining species seems to address most efficiently a complex soil contamination issue. Facilitative interactions towards nitrogen accessibility were also identified in certain assemblages, adding to the interest of combining species in phytoremediation. This thesis gathered important scientific evidences suggesting that assemblages of species should be employed for phytoremediation of soil contaminated by multiple compounds.