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Agronomie des sols très anthropisés - Phytoremédiation
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Le contenu scientifique de l’Axe «Agronomie des milieux très anthropisés» pour la période 2013-2017 Afficher la suite
Le contenu scientifique de l’Axe «Agronomie des milieux très anthropisés» pour la période 2013-2017 s’inscrit dans la continuité de celui développé au cours de la période 2008-2012 par l’équipe «Phytoremédiation». Toutefois, les objectifs finalisés s’étendent à d’autres applications que le seul traitement des contaminations par les plantes (phytoremédiation) pour aller vers la valorisation des milieux très anthropisés par des cultures à valeur ajoutée (alimentaires, fibres, biomasse), la récupération et la valorisation de métaux stratégiques (phytomine) ainsi que la restauration d’écosystèmes (sites miniers dégradés). Sur certaines des applications, l’équipe participe à des actions thématiques transversales conjointement avec l’Axe « Pédologie des milieux très anthropisés ». Les questions scientifiques portées par l’équipe sont sous-tendues par les deux objectifs à long-terme suivants :
· comprendre et contrôler la disponibilité des polluants par les cultures
· comprendre et décrire l’écophysiologie des cultures dans les milieux très anthropisés

Thème 1. Ecodynamique des polluants dans la rhizosphère
Il s’agit principalement de comprendre, de modéliser et de prédire la disponibilité des polluants dans les sols pour la plante (phytodisponibilité pour la phytoextraction des éléments en tarces (ET)) ou pour les microorganismes (biodisponibilité pour la rhizoatténuation des polluants organiques persistants (POP)) sous l’influence de la rhizosphère. Pour les ET (principalement Cd, Ni, As), les principaux points sur lesquels les efforts doivent porter sont : (i) la prise en compte des réactions de complexation en solution, de la compétition avec le proton et les autres cations (réactivité avec la phase solide : coefficient de partage) dans la modélisation, (ii) la caractérisation de la MO (exsudée, substances humiques) et de sa réactivité avec les ET (e.g. Ni) dans une perspective de modélisation, (iii) la modélisation de l’évolution du pH dans la rhizosphère à partir du prélèvement racinaire de cations et d’anions majeurs en intégrant la spatialisation des effets et leur évolution dans le temps (e.g. Cd).
Ces approches de modélisation doivent s’appuyer sur des codes de calcul existants (e.g. PHREEQC, NICA DONAN, Sol Virtuel) pour être ensuite couplés avec des modèles de transport 1D (Barber-Nye amélioré). La détermination des réactions contrôlant la spéciation des éléments utilisera des méthodes physiques et physico-chimiques de caractérisation des phases minérales et organiques et de leur réactivités (type et densité de sites réactifs, paramètres thermodynamiques et cinétiques…), des mesures des gradients de concentration en Cd et autres éléments au voisinage des racines (analyses de tranches de terre rhizosphérique, autoradiographie) ainsi qu’un dispositif innovant de mesure in situ du pH par optodes planes. Les estimations de prélèvement global calculé par les modèles seront confrontées à celles mesurées lors de cultures en conditions contrôlées en hydroponie et en terre. Les sources d’ET proviennent des minéraux et matériaux naturels ou exogènes présents dans les sols mais peuvent également être apporté par la réincorporation de biomasse végétale (e.g litière de plantes hyperaccumulatrices). Dans les sols ultramafiques où ces espèces se développent naturellement, une telle source d’ET, en particulier de Ni, n’est pas négligeable. Il convient alors de suivre la disponibilité du Ni des matières organiques des litières au cours de leur réincorporation au sol par des approches qualitative et quantitatives et de quantifier la contribution des pools de Ni ayant transité par les plantes hyperaccumulatrices à la disponibilité globale du Ni dans les sols ultramafiques. La disponibilité des POP dans la rhizosphère est également un enjeu scientifique majeur. Les travaux visant à identifier le rôle des composés rhizosphériques (exsudats microbiens ou racinaires) seront poursuivis en complétant les travaux déjà menés par des études sur d’autres molécules et la prise en compte de mélanges complexes plus proches de la réalité. En dehors du facteur chimique, la structuration physique du milieu, l’agencement et la localisation de la pollution au sein des agrégats sont également des facteurs clés contrôlant la disponibilité. Il s’agira donc de mieux relier les mesures macroscopiques de disponibilité aux paramètres de structuration du sol et de répartition de la contamination
au sein de cette structure. Il conviendra également d’identifier comment et sous quelles influences cette structuration est susceptible d’évoluer pour augmenter ou au contraire diminuer la disponibilité des polluants. Il s’agira donc d’intégrer l’évolution des polluants dans un contexte d’évolution du sol, ici sol très anthropisé, qui amènera nécessairement une collaboration forte avec l’équipe «Technosol». Deux voies de recherche innovantes sont également envisagées. La première s’inscrit dans la volonté d’intégrer aux travaux des matériaux issus de la filière globale de valorisation de la biomasse produite, comme les biochars. Ces résidus de pyrolyse peuvent, lorsqu’ils sont réincorporés au sol, améliorer ses propriétés agronomiques, augmenter la fraction de C stable (séquestration de carbone) et agir favorablement sur la disponibilité des ET. C’est sur ce point plus particulier, que des travaux de thèse sont ainsi engagés. Les approches de phytoextraction et de valorisation des ressources dispersées doivent également s’élargir aux éléments stratégiques, en particulier en identifiant le rôle de l’altération de certains matériaux présents dans les Technosols ainsi que l’aptitude des végétaux à les prélever.

Thème 2. Ecophysiologie de la phytoremédiation
L’objectif général de ce thème est d’aboutir à la modélisation de systèmes de cultures de phytoremédiation des sols contaminés (rhizodégradation des POP ou phytoextraction des ET). Pour cela, il est nécessaire de poursuivre les recherches entreprises par le LSE lors du précédent contrat quadriennal pour élucider les verrous scientifiques liés à la compréhension et à la description (modélisation) de l’écophysiologie des cultures dans les milieux très anthropisés. En ce qui concerne la phytoremédiation des POP, l’accent est porté sur les interactions physiologiques entre les POP et le système racinaire des plantes et ses conséquences sur la nutrition des plantes, les composés exsudés (nature et quantité) ainsi que la production de biomasse. Pour les ET, plusieurs points sont identifiés, depuis les interactions compétitives entre ET et nutriments au niveau de l’absorption racinaire jusqu’à la dynamique des ET (e.g. Cd et Ni) et des nutriments (e.g. Ca) au cours de la
croissance et du développement des plantes hyperaccumulatrices. Il s’agit pour les ET, de caractériser la demande physiologique de la plante hyperaccumulatrice en fonction des stades phénologiques. Pour cela, il est nécessaire également de poursuivre les recherches sur la variabilité phénotypique (in situ) et génétique des plantes hyperaccumulatrices et de préciser les relations entre les conditions édaphiques et la variabilité génétique et le potentiel de phytoextraction des espèces. Pour les POP, deux volets principaux seront développés. Il s’agit d’une part (i) d’identifier les modifications de fonctionnement des plantes sous l’influence de
polluants organiques et les conséquences sur la rhizodégradation. En particulier, il est nécessaire de caractériser qualitativement et quantitativement l’exsudation et ses modifications en fonction de la présence de POP, (ii) de caractériser la résistance des plantes aux POP et à leurs métabolites (biomasse, structure racinaire, phytotoxicité). Le choix des plantes modèles en rhizodégradation sera effectué pour la suite selon les
résultats de ces recherches. Pour les ET, les principaux chantiers identifiés concernent (i) la variabilité génétique ou phénotypique de certains hyperaccumulateurs en vue de la sélection des types d’intérêt en phytoextraction, (ii) les conditions de fertilité physique et chimique adéquates pour les plantes hyperaccumulatrices en prenant en compte les interactions avec d’autre éléments, (iii) la dynamique de la distribution des ET au cours de la croissance et du développement
des cultures de manière à intégrer la demande physiologique en métaux dans les modèles de cultures. Les actions de recherches particulièrement développées sont :
· Diversité phénotypique et génétique de certaines espèces hyperaccumulatrices à l’échelle régionale (e.g. chez les Brassicacées et les Asteracées).
· Phytoaccumulation des métaux stratégiques : criblage d’espèces d’intérêt vis-à-vis de ces éléments.
· Fonctionnement (croissance, développement et absorption des métaux) des hyperaccumulateurs en milieu naturel et en milieu contrôlé.
· Mise en évidence des mécanismes et des sources d’inhibition de la germination (e.g. comprendre et identifier les facteurs de fertilité des technosols pour l’espèce Noccaea caerulescens).
· Nutrition minérale de la plante et accumulation des métaux (e.g. interactions Ca/Ni, S/ET).
· Comprendre et prévoir le prélèvement de Cd par un système racinaire en croissance (variation spatiales et temporelles des propriétés d’absorption).
· Comprendre et prévoir la répartition des ET dans la plante : localisation et spéciation des ET au cours du développement de la plante, modélisation des flux d’ET dans la plante et formalisation de la demande dans les modèles de culture.
L’accueil au sein de l’équipe de nouvelles compétences permet d’intégrer la composante microbiologique de la rhizosphère au fonctionnement des plantes et des interactions entre espèces au sein d’une culture. Dans ce cadre, il s’agit de comparer l’efficience d’extraction d’un polluant métallique d’un couvert végétal mixte à celles des plantes constitutives du couvert, considérées indépendamment, en évaluant cet effet par le suivi de la communauté bactérienne fonctionnelle, impliquée dans la phytoextraction de polluants métalliques. Il s’agit donc de cerner si l’efficience d’extraction d’un couvert végétal mixte est plus efficace que celle des espèces végétales considérées indépendamment. Parallèlement, il sera possible d’isoler et de caractériser parmi les rhizobactéries, certaines qui ont la capacité de favoriser la croissance des plantes. Elles sont regroupées sous le nom de "Plant Growth-Promoting Rhizobacteria" (PGPR). En effet, ces bactéries PGPR présentent des activités qui pourront être bénéfiques directement ou indirectement à la plante et ainsi à la phytoextraction. Elles peuvent ainsi favoriser la germination des plantes phytoaccumulatrices et/ou faciliter le développement de la biomasse racinaire via la production d’hormones de croissance. Réduire

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