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

Volumes traités en France (source : ADEME http://www2.ademe.fr)

Problème :

Sols pollués

Eaux polluées

Excavation +

désorption thermique

Problème :

Sols pollués

Eaux polluées

Excavation +

désorption thermique

Phytoremédiation

Coût / Efficacité

En general 10 fois moins cher

Valeur ajoutée paysagère

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

Aspects historiques

Années 90 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 : 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)

http://www.fao.org/docrep/008/a0026f/a0026f11.htm

I. Dimitriou et P. Aronsson

Accidents industriels

Pollution accidentelle dans le Wisconsin : hydrocarbures, HAP et organochlorés

Source : http://www.ecolotree.com

Friches industrielles

Cokerie d’Homécourt (Lorraine, Arcelor)

Métaux lourds

Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)

Aspects techniques essentiels associés à la phytoremédiation

Typologie des techniques

Polluants inorganiques et organiques Phytoextraction Phytovolatilisation Phytostabilisation Rhizofiltration

Phytoextraction

Transfert des polluants vers les parties aériennes: Niveau de bioaccumulation ? Niveau de translocation ?

Récolte Confinement ou recyclage

Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

Phytomining

Moutarde brune / cadmium :

•Feuilles 1000

•Racines 6000

Phytovolatilisation

Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

Transfert des polluants vers les parties aériennes

Volatilisation et dilution dans l’atmosphère

Composés volatils :

•Hg, dérivés du Se

•TCE

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

Elles et al. 2005 Water Research

Coût : adapté pour des faibles volumes fortement contaminés

Construction de zones humides artificielles filtrantes Se Nitrate, phosphate, herbicides

http://www.rpdc.tas.gov.au/soer/image/280/index.php

Site de la TEMCO

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 très hydrophobes :• PCBs (Polychlorinated Biphényls)•HAP (Hydrocarbures aromatiques polycycliques)

Composés moyennement hydrophobes:• TNT et TCE

Plante = végétal + microorganismes associés 10-20% des photosynthétats exsudats racinaires Densité microbienne augmentée de plusieurs ordres

de grandeur à 1mm

Inoculation

Des mécanismes additifs…

Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

Éventuellement en association avec de la remédiation classique

Choix des espèces utilisées en phytoremédiation

Critères :Adaptation au milieuBiomasse et vitesse de croissanceTolérance aux polluantsCapacités d’accumulation ou de dégradation des polluants

Espèces classiques en zones humides

Spartine

Lentille d’eau

Jacinthe d’eau

Espèces classiques pour la dépollution des sols ou des eaux souterraines

Peuplier Brassica juncea : la moutarde brune

Les plantes hyperaccumulatrices

Alyssum bertolonii

> 1 % Nickel

Les plantes hyperaccumulatrices

Thlaspi caerulescens

Arabidopsis halleri

> 1 % Zn et 0.1% Cd

Astragalus bisulcatus

> 1 % Selenium

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

Phase de prélèvement de métaux

Phase de croissance Récolte

D’après Salt, Smith et Raskin 1998 Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol.

Biol. 49:643–68

Implique des espèces :

Tolérantes

Accumulatrices

Phytoextraction induite

Ajout des chélatants

Phase de prélèvement de métaux

Phase de croissance

Récolte

D’après Salt, Smith et Raskin 1998 Annu. Rev. Plant Physiol.

Plant Mol. Biol. 49:643–68

Un exemple de chélatant : l’EDTA

Attention à la percolation !!

Compromis biomasse / accumulation

Biomasse X Teneur Rendement d’extraction

Thlaspi+ EDTA

Moutarde + EDTA

10 t / ha 500 mg / kg 5 kg / ha

25 000 mg / kg

5 t / ha 125 kg / ha

Sol contaminé en Zn + Cd

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 »

automobiles

Traitement de surfaces

Traitement du bois

EngraisBatteries

Source naturelle + irriguation

Tanneries

Orpaillage

Amont de Troyes Aval de Troyes

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

Pb

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 : 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

Ma et al. Nature (2001) 409: 579

Concentrations en arsenic dans les tissus de Pteris vittata cultivées sur un sol contenant 97 ppm d’arsenic

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 OngoingPhytoremediation Field Tests, Environmental Science and Technology, 30 (5), pp.194A.

Composés organiques

Hydrocarbures dont HAP Organochlorés

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

Cellule 8 non-plantée

Phytodégradation du TCE par des peupliers

Gordon et al. 1996 Environmental Health Perspectives. 106: 1001-1004.

Approches transgéniques

Augmentation de la tolérance au cadmium

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

ATP

ADP P

ATP

ADP P

Cd2+

biodisponible

Canaux et transporteurs calciques

Transporteurs de Fe

Problème : translocation<50%

Cd chélaté, séquestré

Identification de transporteurs potentiellement intéressants pour la phytoremédiation

Arbre phylogénétique des P-ATPases d’Arabidopsis thaliana

Adressage membranaire d’AtHMA4

Verret et al. FEBS 2004

Témoin GFP soluble

HMA4::GFP

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

Phytovolatilisation du mercure par une plante exprimant un gène bactérien

MerA (mercurate réductase)

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

Phytodégradation du TNT par une plante exprimant une nitroréductase bactérienne

Hannink et al. 2001 Nature Biotech

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

TNT 0.05 mM TNT 0.1 mMtémoin

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

Source : ADEME

Entreprises de phytoremédiation France

Phytorestaure USA

Ecolotree Treemediation Edenspace System Corporation arsenic Phytokinetics architecture racinaire Applied Phytogenetics transgenèse et

remédiation du méthylmercure