De nombreux sols contaminés par les éléments métalliques résultent des activités humaines et industrielles. Pour gérer ces sols, la technique du phytomanagement a séduit les scientifiques et les gestionnaires des sites pollués. Tout en utilisant le génie végétal, cette technique permet de produire des biomasses qu’il convient de valoriser. Sur la base de cette approche, le présent travail décrit cette technique en utilisant des biomasses (raygrass et miscanthus) en association à des amendements phospho-calciques. Ces biomasses, décrites comme étant non-hyper-accumulatrices des éléments métalliques, ont été produites sur des terres de jardins et des terres agricoles. Les expérimentations ont été menées en serre, en mésocosme, et in situ, à proximité de l’ancienne fonderie de plomb Metaleurop Nord.L’utilisation raisonnée des composés phospho-calciques n’a pas affecté significativement les caractéristiques physico-chimiques et biologiques des sols. En revanche, il a pu être montré une amélioration de certains paramètres physiologiques des plantes. Par ailleurs, les composés phospho-calciques ont généralement réduit l’extractabilité et la phytodisponibilité de Cd et Pb tout en favorisant la mobilité et le transfert d’éléments d’intérêt vers les parties aériennes des biomasses. Ceci a permis de transformer ces biomasses en écocatalyseurs. Après avoir été caractérisés, ces derniers ont été utilisés en synthèse organique et leur recyclabilité a été montrée. Trois exemples ont été présentés dans le cadre du présent travail. Dans une perspective d’utilisation d’autres biomasses, les concentrations en éléments métalliques dans des plantes rudérales ont été déterminées. / Many metal-contaminated soils result from human and industrial activities. To manage these soils, the phytomanagement has attracted scientists and managers of contaminated sites. While using plant engineering, this technique produces biomass that should be valued. Based on this approach, the present work describes this technic by using plant biomass (ryegrass and miscanthus) in combination with phosphocalcic amendments. These biomass, described as non-hyper-accumulators, were produced on garden soils and agricultural soils. The experiments were conducted in greenhouse, mesocosm and in situ near the former Metaleurop Nord smelter. The sustainable use of phosphocalcic compounds did not significantly affect the physicochemical and biological characteristics of soils. In contrast, some physiological parameters of plants were improved. In addition, the phosphocalcic compounds decreased the extractability and phytavailability of Cd and Pb in some cases while promoting the mobility and the transfer of other metallic elements from the soil to the aerial parts of the biomass studied. Metal-enriched biomass were transformed into ecocatalysts. After being characterized, these ecocatalysts were used in organic synthesis and their recyclability was demonstrated. Three examples have been detailed in the current thesis report. In view of using other biomass, metal concentrations in ruderal plants were determined.

Le sol possède un capital naturel qui lui confère la capacité à produire des services écosystémiques aussi bien culturel que de régulation ou d’approvisionnement, il est indispensable à la Vie telle que nous la connaissons et au développement des activités humaines. Cependant les activités anthropiques et les pollutions, notamment par les éléments traces métalliques (ETMs) tel que le mercure (Hg), perturbent les sols et modifient en profondeur l’organisation des écosystèmes. Face à ces enjeux, des projets de remédiation et de gestion des sites et sols pollués se sont multipliés durant les dernières décennies en vue de futures ré-exploitations de ces sols. Cette thèse s’inscrit dans le cadre des projets ANR-BIOFILTREE et EC2CO FREIDI-Hg gérés par le laboratoire Chrono-Environnement. Mes travaux ont permis l’exploration de la diversité des communautés de microorganismes associées à une plantation de peuplier sur un site contaminé par le Hg et géré par phytomanagement, via les approches combinées de séquençage à très haut débit et par l’approche culture dépendante. Ces méthodes combinées ont permis de révéler i) la diversité des communautés bactériennes et fongiques de la peupleraie ; ii) les groupes de microorganismes particulièrement résistant au Hg (Trichoderma et Pseudomonas) ; et iii) des bactéries promotrices de croissance des plantes (PGPB). Par ailleurs, la compréhension des mécanismes cellulaires liés à l’accumulation de Hg par les microorganismes a été un de mes sujets d’étude en partenariat avec le LIEC (Université de Lorraine). Les modèles eucaryotes Saccharomyces cerevisiae et Podospora anserina ont été utilisés pour tester le rôle potentiel de certains transporteurs d’ions dans l’entrée du Hg dans les cellules fongiques. Les résultats ont montré que le transporteur de magnésium Alr1 situé sur la membrane plasmique pourrait participer au transport du Hg. En outre, une approche de transcriptomique chez Saccharomyces cerevisiae après une courte exposition au Hg des souches mutantes et sauvages a été mise en œuvre. Pour conclure, ce travail de thèse ambitionne d’être un travail de référence pour les futurs projets de phytomanagement en milieux contaminé par le Hg, qui met en avant les communautés de microorganismes et leurs rôles fondamentaux. / Soil has a natural capital that gives it the capacity to produce ecosystem services, cultural as well as regulation or supply, it is essential to the Life as we know it and the development of human activities. However, anthropogenic activities and pollution, in particular by trace elements (ETs) such as mercury (Hg), disrupt the soil and modify in depth the organization of ecosystems. Facing these challenges, remediation and management projects for polluted sites and soils have emerged during the last decades with a view to future re-exploitation of these soils. This thesis is part of the ANR-BIOFILTREE and EC2CO FREIDI-Hg projects managed by the Chrono-Environnement laboratory. My Ph-D work explored the diversity of microorganism communities associated with a poplar plantation at a Hg-contaminated site managed by phytomanagement, combining approaches such as very high-throughput sequencing and conventional culture-based techniques. These combined methods revealed i) the diversity of the bacterial and fungal communities of the poplar plantation; ii) the groups of microorganisms particularly resistant to Hg (Trichoderma and Pseudomonas); and iii) plant growth promoting bacteria (PGPB). In addition, understanding the cellular mechanisms related to the accumulation of Hg by microorganisms was one of my objectives carried out in collaboration with the LIEC (University of Lorraine). The eukaryotic models Saccharomyces cerevisiae and Podospora anserina were used to test the potential role of some ion transporters in the entry of Hg into fungal cells. The results showed that the magnesium transporter Alr1 located on the plasma membrane could participate in the transport of Hg. In addition, a transcriptomic approach in Saccharomyces cerevisiae after a short exposure to Hg of mutant and wild strains has been implemented. To conclude, this work aims to be a reference work for future phytomanagement projects in Hg-contaminated environments, which highlights micro-organism communities and their fundamental roles.

Le phytomanagement de matrices contaminées en métaux couple leur réhabilitation écologique avec la production de biomasses végétales pour la bioéconomie. Un front de science est d’identifier des assemblages végétaux et d’optimiser leur production, aidée ou non par l’ajout d’amendements. Le phytomanagement de deux sols, l’un contaminé en Cu, l’autre en Cd, Pb et Zn, a été testé en conditions contrôlées. L’emploi conjoint de biochar et de grenaille d’acier diminue la phytotoxicité des 2 sols. En pots, sur 2 ans, cette combinaison d’amendements séquestre du carbone, diminue la phytotoxicité du sol contaminé en Cu et produit une biomasse d’Arundo donax L. et de Populus nigra L. non contaminée, utilisable par le secteur de l’énergie. Ces modalités de culture et d’amendement ont été installées pour un suivi à long terme sur le site contaminé en Cu. Parallèlement, en microcosmes, parmi 4 macrophytes utilisées en zone humide construite (CW) pour décontaminer des matrices aqueuses (i.e. Arundo donax L., Cyperus eragrostis Lam., Iris pseudacorus L. et Phalaris arundinacea L.), A. donax est la mieux adaptée pour fournir des racines à forte concentration en Cu utilisables pour produire un écocatalyseur riche en Cu. Le phytomanagement d’un effluent de bouillie bordelaise (EB, 69 μM Cu) par A. donax a été testé en CW pilote. Il est décontaminé en 48h, sa concentration en Cu respectant la réglementation du rejet d’effluent en réseau d'assainissement. Cependant, après un cycle de circulation, la concentration en Cu des racines d’A. donax (623 ± 140 mg Cu kg-1) est inférieure aux besoins de l’éco-catalyse, et le cycle serait à répéter pour atteindre les 1000 mg Cu kg-1 requis. / The phytomanagement of metal-contaminated matrices (soils and water) combines their ecological remediation and the production of non-food crops for the bioeconomy. One science frontier is to identify plant assemblage and to optimize their biomass production, aided or not by amendment addition and cultural practices. A Cu-contaminated soil and a Cd/Pb/Zn-contaminated one were phytomanaged in controlled conditions. The combination of biochar and iron grit reduced the phytotoxicity in both soils. In a 2-year pot experiment, this amendment combination decreased the phytotoxicity of the Cu-contaminated soil, enhanced soil C sequestration and produced an uncontaminated biomass of Arundo donax L. and Populus nigra L. adapted for bioenergy production. These combinations of culture and amendment are tested in field trial at the Cu-contaminated site. In parallel, in microcosm experiment, out of 4 macrophytes commonly used in constructed wetlands (CW) to clean up aqueous matrices (i.e. Arundo donax L., Cyperus eragrostis Lam., Iris pseudacorus L. and Phalaris arundinacea L.), A. donax was the best adapted to produce a high Cu-rich root mat potentially usable as Cu-ecocatalyst. Clean up of a Bordeaux mixture effluent (BME, 69 μM Cu) by A. donax was tested in a pilot-scale CW. The BME was decontaminated in 48 hours, its Cu concentration being in compliance for indirect discharge of chemical industry effluents. However, after one BME circulation cycle, root Cu concentration of A. donax roots (623 ± 140 mg kg-1) was lower than threshold value for Cu-ecocatalysts (1000 mg kg-1) and successive treatments must be repeated to achieve required Cu concentration.

Le phytomanagement est une méthode de gestion de sites pollués basée sur la capacité des plantes à séquestrer les polluants. L’utilisation de symbiotes fongiques peut représenter un atout afin d’augmenter la production de biomasse. Les endophytes bruns septés (DSE) pourraient stimuler la croissance végétale et augmenter leur protection contre les éléments-traces-métalliques (ETM). Cette thèse se déroule dans le cadre du projet LORVER et vise à comprendre l’interaction « plantes-DSE-sols pollués ». A ces fins, des champignons DSE isolés de racines de peupliers issues de sols pollués par des ETM ont été caractérisés. Ils appartiennent aux genres Leptodontidium, Phialophora, Cadophora et Phialocephala. Trois de ces souches ont ensuite été inoculées à des plantes en présence d’ETM. Dans certains cas, la croissance végétale a été stimulée et une augmentation de la teneur en chlorophylles, en P et en K, ou une réduction de la teneur en Cd dans les parties aériennes ont été mises en évidence. Puis, la souche la plus efficace sur la croissance végétale, Cadophora sp. Fe06, a été utilisée dans un double inoculum avec une souche endomycorhizienne, chez du ray-grass en présence d’ETM. Cette association diminue la teneur en Cd dans les feuilles. Enfin, les mécanismes impliqués dans la tolérance aux ETM chez les DSE ont été examinés via le criblage d’une banque de mutants d’insertions aléatoires, et via l’étude du rôle de la mélanine. Ce travail met en évidence que l’utilisation de DSE, de part leur capacité à coloniser de nombreuses plantes dans différents sols et à stimuler leur croissance, pourrait représenter un atout considérable pour des opérations de phytomanagement / Phytomanagement is a handling method of contaminated sites based on the ability of plants to sequester pollutants. Fungi could favor plant growth in contaminated sites but were far less studied in the context of phytomanagement. Dark septate endophytes (DSE) were reported to improve plant tolerance against metallic trace elements (TE). The present work is part of the LORVER project and aims to understand the “plant-DSE-TE”. DSE were isolated from poplar roots growing on TE-contaminated soils and characterized. They belong to Leptodontidium, Phialophora, Cadophora and Phialocephala genera. Three strains were inoculated to birch and poplar in TE-contaminated soils. Leptodontidium sp. improved plant growth with an increase in chlorophyll, P and K concentrations, whereas Cadophora sp. decreased Cd concentration in shoots of birch. Then, Cadophora sp. Fe06, was used with an endomycorrhizal fungus, to co-inoculate ryegrass in a TE-polluted soil. The co-inoculation leads to the decrease of Cd concentration in shoots. Finally, the mechanisms involved in TE-tolerance by DSE were studied through the screening of a library of Leptondontidium sp. insertional random-mutants and an evaluation of the role of melanin against TE stress. The present work highlights the complexity of the interactions between DSE and plants under TE stress. These interactions were influenced by different parameters including plant species, DSE strains, and soil properties. Nevertheless, the ability of DSE to colonize a broad spectrum of plants in different soils and to promote plant growth, suggest that DSE could represent a substantial benefit for the fungus-assisted phytomanagement of polluted soils