La biogéochimie, l'écologie et l'évolution de la tolérance et de l'accumulation du cuivre (Cu) et du cobalt (Co) chez les métallophytes facultatives restent à ce jour peu connues. Anisopappus chinensis (Asteraceae), espèce végétale à large amplitude écogéographique, a été sélectionné comme modèle biologique. Les concentrations de Cu et de Co liées respectivement aux oxydes de manganèse et à la matière organique dans les sols métallifères pourraient représenter une concentration disponible de Cu et de Co pour les plantes. En culture, une variation dans la mobilité du Cu et du Co dans le sol n'expliquait pas nécessairement une variation des concentrations foliaires. La disponibilité du Cu et du Co reste difficile à appréhender et serait la résultante d'interactions biogéochimiques rhizosphériques complexes impliquant les microorganismes. Il existe une réponse adaptative à la diversité d'habitats chez A. chinensis traduite par des hauteurs de plantes et surfaces de feuilles plus faibles chez les populations métallicoles. L'absence de divergence de la surface foliaire spécifique (SLA) entre les populations métallicoles et non-métallicoles, ainsi que la très faible réponse plastique au Co semble mettre en évidence une homéostasie de la SLA qui pourrait expliquer la large niche écologique de l'espèce. Une différenciation génétique de la tolérance au Co a été observée chez les populations métallicoles des sols enrichis en Co, reliée à la concentration de Co des sols natifs. Une variation génétique de l'accumulation de Co a été mise en évidence pour la première fois ; A. chinensis provenant de sols enrichis en Co constitue un matériel végétal remarquable à valoriser / Biogeochemistry, ecology and evolution of copper (Cu) and cobalt (Co) tolerance and accumulation in facultative cupro-cobaltophytes remains poorly understood. Anisopappus chinensis (Asteraceae), a broad-niched and geographically widespread facultative metallophyte has been chosen as model species of the thesis. Copper and Co bound to respectively manganese oxides and organic matter in metalliferous soils could represent Cu and Co available concentrations for plants. In experimental conditions, variations in Cu and Co mobility would not necessary explained variations in foliar Cu and Co concentrations in A. chinensis. Copper and Co availability is a complex element- and species-specific mechanism, closely related to all biogeochemical processes that occur in the rhizosphere. Important role of microorganisms is expected. Adaptive response to habitats has been highlighted for A. chinensis. Metallicolous (M) plants had consistently lower height and leaf size than non-metallicolous (NM) plants. The lack of divergence in specific leaf area (SLA) between M and NM populations associated with the very low plastic response to Co seemed to highlight SLA homeostasis which could explain the broad niche of the species. Genetic differentiation in Co tolerance has been demonstrated in M populations from Co-enriched soils. Positive relationship between the level of tolerance to Co and the concentration of Co in the native soil may exist. Genetic variability of Co accumulation has been demonstrated for the first time in a metallophyte. Anisopappus chinensis form Co-enriched soils constitute an interesting valuable biological model

Certaines plantes, dites hyperaccumulatrices, ont la capacité de se développer sur des sols riches en métaux et d’accumuler ces métaux à des concentrations élevées. L’incinération de la biomasse produit des cendres qui contiennent de 10 à 25% en masse de Ni. Ce travail s’inscrit dans la continuité d’une recherche menée par l’équipe depuis plusieurs années, qui a donné lieu notamment à un brevet sur la production du sel double sulfate de nickel et d’ammonium hexahydraté (ANSH) à partir de la biomasse d’Alyssum murale. Le manuscrit comprend d’abord une synthèse bibliographique sur la phytomine, allant des hyperaccumulateurs aux procédés de valorisation, essentiellement centrée sur le nickel. Ensuite, ont été comparées quinze plantes hyperaccumulatrices (des genres Alyssum, Leptoplax et Bornmuellera) provenant d’Albanie ou de Grèce, en vue de leur application pour la phytomine. Les teneurs en nickel ont été mesurées dans les différents organes des plantes et dans les cendres obtenues par combustion. Les trois genres ont de l’intérêt pour l’application, les plantes contiennent 1 à 3% en masse de nickel et les cendres 15 à 20 %. Le procédé hydrométallurgique de production d’ANSH a été étudié étape par étape en vue d’optimiser chaque étape pour produire un sel très pur tout en économisant matière et énergie et minimisant la production d’effluents et de déchets. Ce travail a conduit à l’amélioration du procédé de départ. Enfin, de nouvelles pistes ont été proposées pour conduire à de nouveaux procédés et produits du nickel. Les résultats obtenus et la dynamique actuelle autour de la phytomine montrent l’intérêt de cette approche et annoncent son développement imminent / Some plants, known as hyperaccumulators, are able to develop on metal containing soils and to accumulate these metals at high concentrations in shoots. Biomass incineration leads to ash containing 10 to 25 wt % nickels, greater than in some mineral ores. This work follows a research that has been carried out by the team for several years, which has resulted in a patent on the hydrometallurgical production of the double salt ammonium and nickel hexahydrate (ANSH) from the biomass of Alyssum murale. It aims at improving the synthesis method of this salt in order to upscale it at the pilot scale and explore new methods leading to new products. The manuscript begins with a bibliographic review on phytomining from hyperaccumulators to metal recycling processes, essentially focused on nickel. Then ca 15 hyperaccumulator plants (genus Alyssum, Leptoplax and Bornmuellera) collected in Greece or Albania have been compared, in the objective of phytomining. Nickel concentrations were measured in the plant organs and in the ashes after combustion. The three types of plants are of great interest for the technology, they contain 1 to 3 wt % of nickel and the ashes 15 to 20%. The hydrometallurgical process of ANSH production was investigated step by step to optimize each step to produce a salt of high purity, to decrease materials and energy consumption and to minimize effluent and waste production. The process was thus improved. Eventually, new ideas have been tested for new processes and nickel products. The obtained results and the current dynamics prove the interest of phytomining and announce its imminent development

Germanium wird in der Regel als Nebenkomponente in der Zink- oder Kupfer-Metallurgie gewonnen. Ein Beitrag, auch einheimische Ressourcen (z.B. Haldenmaterialien) nutzen zu können, besteht in der Mobilisierung des bodengebundenen Germaniums über Pflanzen (Phytomining). In der Arbeit wurden drei Verfahrenskonzepte für die Germaniumgewinnung über die Akkumulation in Pflanzen entwickelt. Der fermentative Aufschluss des Pflanzenmaterials in einem Biogasprozess ist dabei ein Schlüsselschritt für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Weiterhin erwies sich als maßgeblich, daß es gelang, die Germaniumfraktion nahezu vollständig im festen Gärrest zu binden. Die anschließende energetische Verwertung des germaniumhaltigen festen Rückstandes liefert eine germaniumhaltige Asche, die nasschemisch gelaugt und extraktiv auf GeO2 aufbereitet wird. Eine Machbarkeitsstudie zeigt Möglichkeiten und Grenzen hinsichtlich Kosten und Rentabilität der Germaniumgewinnung über Phytomining.:Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis ................................................................................................... 1 Symbol- und Abkürzungsverzeichnis ...................................................................... 3 1 Einleitung ..................................................................................................... 5 2 Allgemeiner Teil ........................................................................................... 9 2.1 Biomasse als alternative Germaniumquelle ................................................... 9 2.2 Analytik von Germanium ............................................................................. 19 2.2.1 Anpassung der Flüssigkeitsanalytik für die GF-AAS .................................... 23 2.2.2 Anpassung der Feststoffanalytik für die GF-AAS ......................................... 31 2.2.3 Germaniumgehalte von weiteren Naturstoffen ............................................. 40 2.3 Biomasseaufschluss .................................................................................... 48 2.3.1 Charakterisierung von Biomassen zur stofflichen Verwertung ..................... 48 2.3.2 Aufschluss mit Mineralsäuren und Basen .................................................... 53 2.3.3 Fermentativer Aufschluss ............................................................................ 63 2.3.4 Einfluss von Separationstechniken für Gärreste auf die Germaniumverteilung .................................................................................. 78 2.3.5 Thermischer Aufschluss von Biomassen ..................................................... 84 2.4 Anreicherung von Germanium ..................................................................... 88 2.4.1 Flüssig/Flüssig-Extraktion ............................................................................ 88 2.4.1.1 pH-Wert-Abhängigkeit ............................................................................... 91 2.4.1.2 Einfluss der Extraktionsmittelkonzentration .............................................. 93 2.4.1.3 Einfluss des Komplexierungsreagenz‘s .................................................... 94 2.4.1.4 Einfluss der Volumenverhältnisse der Extraktionsphasen ........................ 95 2.4.1.5 Optimierung der Kontaktzeit ...................................................................... 96 2.4.1.6 Einfluss verschiedener Komplexliganden ................................................. 97 2.4.1.7 Extraktion aus Laugungslösungen definierter Germaniumkonzentration .100 2.4.1.8 Anwendung auf reale Prozesslösungen .................................................. 104 2.4.2 Destillation über Germanium(IV)-chlorid .................................................... 105 2.5 Verfahrenskonzepte zur Germaniumgewinnung aus Biomassen ............... 114 2.5.1 Germaniumgewinnung nach Biomasselaugung ......................................... 115 2.5.2 Germaniumgewinnung nach thermischem Aufschluss............................... 117 2.5.3 Germaniumgewinnung nach Fermentation von Biomassen ....................... 119 2.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zur Germaniumgewinnung aus Biomassen 121 3 Zusammenfassung und Ausblick ........................................................... 130 4 Experimenteller Teil ................................................................................ 133 4.1 Verwendete Chemikalien ........................................................................... 133 4.2 Verwendete Geräte ................................................................................... 134 4.3 Analytik der Graphitrohrofen - Atomabsorptionsspektrometrie ................... 134 4.4 Analytik der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma ........ 135 4.5 Charakterisierung von Biomassen ............................................................. 135 4.5.1 Trockensubstanz ....................................................................................... 135 4.5.2 Extraktgehalt ............................................................................................. 136 4.5.3 Cellulosegehalt .......................................................................................... 136 4.5.4 Holocellulosegehalt ................................................................................... 136 4.5.5 Ligningehalt ............................................................................................... 136 4.5.6 Organische Trockensubstanz .................................................................... 137 4.6 Aufschluss mit Säuren und Basen ............................................................. 137 4.6.1 Laugung von Biomassen ........................................................................... 137 4.6.2 Bestimmung TOC und IR .......................................................................... 137 4.6.3 Verzuckerung von Biomassen ................................................................... 137 4.7 Fermentativer Aufschluss .......................................................................... 138 4.8 Absorption von Germanium an Biomassen ................................................ 139 4.9 Physikalische Gärrestseparationen ........................................................... 139 4.9.1 Zentrifugation von Gärresten ..................................................................... 139 4.9.2 Druckfiltration von Gärresten ..................................................................... 140 4.9.3 Sedimentation von Gärresten mit Zusätzen ............................................... 140 4.10 Thermogravimetrische Analyse ................................................................. 140 4.11 Thermischer Aufschluss ............................................................................ 141 4.12 Wasserlaugung von Aschen ...................................................................... 141 4.13 Flüssig/Flüssig-Extraktion .......................................................................... 141 4.14 Destillation über Germanium(IV)-chlorid .................................................... 142 5 Literaturverzeichnis ................................................................................ 143 6 Anhang ..................................................................................................... 156

Different aspects of interaction of metals other than iron with metallophore mixtures were elucidated. Metal chelation besides iron and greater than with pure desferrioxamine B is documented by enhanced performance of soil mineral dissolution following application of diverse metallophore mixtures. New insights from genome to product of metallophores from Gordonia rubripertincta CWB2 under different cultivation conditions and under metal stress, particularly induced by rare earth elements are given. This evaluation led to increase by a factor of 13. Structure analyses showed that the strain produces citrate and different desferrioxamines. A robust RP-HPLC-based method quantified metal complexation. Further metal immobilization methods for metallophores for metal extraction from solutions with low concentrations were established. Moreover, catechol and hydroxamate metallophores from Arthrobacter oxydans ATW2 and Kocuria rosea ATW4 demonstrate the enhancement of Ge and rare earth element bioavailability, plant growth promotion and phytoextraction potential.:CONTENTS Abstract ..........................................................................................................1 CHAPTER 1 Introduction ......................................................................................5 CHAPTER 2 Mobilization of trace elements in soil extracts by bacterial siderophores in dependence of the pH-value..................................31 CHAPTER 3 Cultivation dependent formation of siderophores by Gordonia rubripertincta CWB2........................................................................41 CHAPTER 4 Data on metal-chelating, -immobilization and biosorption properties by Gordonia rubripertincta CWB2 in dependency on rare earth adaptation.......................................................................................67 CHAPTER 5 Analysis of desferrioxamine-like siderophores and their capability to selectively bind metals and metalloids: development of a robust analytical RP-HPLC method. ..........................................................97 CHAPTER 6 Secondary metabolites released by the rhizosphere bacteria Arthrobacter oxydans and Kocuria rosea enhance plant availability and soil–plant transfer of germanium (Ge) and rare earth elements (REEs) .........................................................................................120 CHAPTER 7 Conclusion remarks and further perspectives ...............................154 References .......................................................................................................162 Acknowledgement .........................................................................................185 Curriculum Vitae ..........................................................................................187 List of publications ..........................................................................................189 List of oral and poster presentations ..........................................................190 List of proceedings ..........................................................................................191 / En este trabajo se han dilucidado diferentes aspectos de la interacción de los metales con las mezclas de metalóforos desde distintos ángulos. La quelación de metales por debajo del hierro se pone de manifiesto en la mejora del rendimiento de la disolución de los minerales del suelo debido a la aplicación de diversas mezclas de metanóforos en comparación con la deferoxamina B pura. Se ofrecen nuevos conocimientos desde el genoma hasta el producto de los metanóforos de Gordonia rubripertincta CWB2 en diferentes condiciones de cultivo y bajo estrés por metales, especialmente inducido por elementos de tierras raras. Esta evaluación condujo a una sobreproducción de un factor de 13. El análisis estructural muestra que la cepa produce citrato y diferentes desferrioxaminas. Un método robusto basado en RP-HPLC cuantificó la complejación de metales. Se establecieron otros métodos de inmovilización de metales para la extracción de metales a partir de soluciones poco concentradas. Además, los metalóforos de catecol e hidroxamato de Arthrobacter oxydans ATW2 y Kocuria rosea ATW4 demuestran la mejora de la biodisponibilidad de GE y REE, la promoción del crecimiento vegetal y el potencial de fitoextracción.:CONTENTS Abstract ..........................................................................................................1 CHAPTER 1 Introduction ......................................................................................5 CHAPTER 2 Mobilization of trace elements in soil extracts by bacterial siderophores in dependence of the pH-value..................................31 CHAPTER 3 Cultivation dependent formation of siderophores by Gordonia rubripertincta CWB2........................................................................41 CHAPTER 4 Data on metal-chelating, -immobilization and biosorption properties by Gordonia rubripertincta CWB2 in dependency on rare earth adaptation.......................................................................................67 CHAPTER 5 Analysis of desferrioxamine-like siderophores and their capability to selectively bind metals and metalloids: development of a robust analytical RP-HPLC method. ..........................................................97 CHAPTER 6 Secondary metabolites released by the rhizosphere bacteria Arthrobacter oxydans and Kocuria rosea enhance plant availability and soil–plant transfer of germanium (Ge) and rare earth elements (REEs) .........................................................................................120 CHAPTER 7 Conclusion remarks and further perspectives ...............................154 References .......................................................................................................162 Acknowledgement .........................................................................................185 Curriculum Vitae ..........................................................................................187 List of publications ..........................................................................................189 List of oral and poster presentations ..........................................................190 List of proceedings ..........................................................................................191 / Es wurden verschiedene Aspekte der Wechselwirkung von anderen Metallen als Eisen mit Metallophormischungen untersucht. Die Chelatbildung mit anderen Metallen als Eisen, die größer ist als bei reinem Desferrioxamin B, wird durch eine verbesserte Leistung bei der Auflösung von Bodenmineralien nach Anwendung verschiedener Metallophormischungen dokumentiert. Es werden neue Erkenntnisse vom Genom bis zum Produkt von Metallophoren aus Gordonia rubripertincta CWB2 unter verschiedenen Anbaubedingungen und unter Metallstress, insbesondere induziert durch Seltene Erden, gegeben. Diese Auswertung führte zu einer Steigerung um den Faktor 13. Strukturanalysen zeigten, dass der Stamm Citrat und verschiedene Desferrioxamine produziert. Eine robuste RP-HPLC-basierte Methode quantifizierte die Metallkomplexierung. Weitere Methoden zur Metallimmobilisierung von Metallophoren für die Metallextraktion aus Lösungen mit niedrigen Konzentrationen wurden etabliert. Darüber hinaus zeigen Catechol- und Hydroxamat-Metallophore aus Arthrobacter oxydans ATW2 und Kocuria rosea ATW4 die Verbesserung der Bioverfügbarkeit von Ge und Seltenen Erden, die Förderung des Pflanzenwachstums und das Phytoextraktionspotenzial.:CONTENTS Abstract ..........................................................................................................1 CHAPTER 1 Introduction ......................................................................................5 CHAPTER 2 Mobilization of trace elements in soil extracts by bacterial siderophores in dependence of the pH-value..................................31 CHAPTER 3 Cultivation dependent formation of siderophores by Gordonia rubripertincta CWB2........................................................................41 CHAPTER 4 Data on metal-chelating, -immobilization and biosorption properties by Gordonia rubripertincta CWB2 in dependency on rare earth adaptation.......................................................................................67 CHAPTER 5 Analysis of desferrioxamine-like siderophores and their capability to selectively bind metals and metalloids: development of a robust analytical RP-HPLC method. ..........................................................97 CHAPTER 6 Secondary metabolites released by the rhizosphere bacteria Arthrobacter oxydans and Kocuria rosea enhance plant availability and soil–plant transfer of germanium (Ge) and rare earth elements (REEs) .........................................................................................120 CHAPTER 7 Conclusion remarks and further perspectives ...............................154 References .......................................................................................................162 Acknowledgement .........................................................................................185 Curriculum Vitae ..........................................................................................187 List of publications ..........................................................................................189 List of oral and poster presentations ..........................................................190 List of proceedings ..........................................................................................191

Phytoextraction du nickel dans les sols ultramafiques d’Albanie La phytoextraction minière est un procédé de récupération des métaux des sols minéralisés naturels ou pollués à l’aide de plantes hyperaccumulatrices. Elle est une alternative à l’agriculture vivrière des zones ultramafiques. L’objectif de la thèse est le développement d’une technologie de phytoextraction extensive du Ni avec Alyssum murale sur les Vertisols ultramafiques. Pour cela, il s’agissait : i) d’identifier les plantes hyperaccumulatrices les plus efficaces dans le prélèvement du Ni et comprendre les relations entre le prélèvement du métal et sa biodisponibilité, ii) de déterminer les types de sols adaptés à la phytoextraction du Ni et iii) de définir et optimiser un itinéraire agronomique adapté pour l’espèce retenue et pour les conditions édaphiques. Dans ce but, des prospections géobotaniques ont été conduites en Albanie et en Grèce. Puis une étude in situ des facteurs qui influencent la biodisponibilité du Ni et le comportement des plantes sur une toposéquence ultramafique a été mise en place. Enfin un essai agronomique de quatre années sur un site ultramafique d’Albanie (Pojske) a permis de tester la fertilisation, le contrôle des adventices par herbicide et la date de récolte pour optimiser le rendement d’extraction du Ni. Les résultats montrent que parmi l’ensemble des espèces présentes naturellement sur les serpentines des Balkans, A. markgrafii et A. murale ont le plus fort taux d’accumulation du Ni. Les Vertisols ultramafiques présentent une disponibilité élevée du Ni favorable à la phytoextraction minière. La biomasse d’A murale est augmentée de 0,2 t ha-1 à 6,0 t ha-1 à partir des traitements agronomiques et le rendement de phytoextraction de Ni par A. murale est de 23 à 69 kg ha-1. Alyssum murale peut être envisagée comme une culture pérenne et la fertilisation permet d’augmenter la compétitivité de la plante sans affecter les concentrations de Ni dans les parties récoltées / Phytomining is a process for recovering metals with hyperaccumulating plants from natural or polluted soils. It is an alternative to conventional farming in ultramafic areas. The aim of the thesis is the development of an extensive phytoextraction technology with Alyssum murale on ultramafic Vertisols. Therefore, work was conducted to i) identify the most effective Ni hyperaccumulators, and understand the relationship between metal uptake and bioavailability, ii) identify soil types suitable for phytoextraction, and iii) define and optimize agronomic practices adapted to the plant species and the edaphic conditions. Hence, geobotanical surveys were conducted in Albania and Greece. Then an in situ study was run on an ultramafic toposequence to assess the factors that influence Ni bioavailability and behavior of plants. Finally a four-year field trial was carried out on an ultramafic site in Albania (Pojske) where fertilization, weed control by herbicide, and harvest date were tested to optimize the efficiency of Ni extraction. The results showed that A. markgrafii and A. murale exhibit the highest rate of Ni accumulation among all species of Balkan serpentines. The ultramafic Vertisols have a high Ni availability phytoextraction and are favourable for phytomining. A. murale biomass increased from 0.2 t ha-1 to 6.0 t ha-1 due to optimization of agronomic treatments, and performance of phytoextraction from 23 to 69 kg ha-1. Alyssum murale can be seen as a perennial crop, and fertilization increases the competitiveness of the plant without affecting the Ni concentrations in the harvested parts

Cette recherche s’inscrit dans le contexte de la conception d’une filière originale comprenant la phytoextraction du nickel par la plante hyperaccumulatrice Alyssum murale, endémique des sols de serpentine d’Albanie et de sa valorisation de ce nickel, l’objectif étant d’arriver à un produit à haute valeur ajoutée. Les sols de serpentine peuvent être considérés comme une ressource secondaire. Ils contiennent des concentrations élevées en nickel mais à des teneurs insuffisantes pour être exploités par l’industrie minière. La plante Alyssum murale peut extraire et concentrer le nickel dans ses tissus. Le nickel présent dans la biomasse a pu être solubilisé quasiment totalement à l’acide sulfurique, en réacteur fermé puis à contre-courant en trois étapes. Cette lixiviation a produit une solution contenant du nickel lié à des molécules organiques ainsi que d’autres métaux et composés organiques. Les procédés de raffinage directs comme la précipitation sélective ou l’électroplaquage n’ont pas permis d’isoler le nickel. Deux voies ont été explorées : (i) l’extraction par un solvant organique sélectif du nickel (Cyanex 272) suivie d’une contre extraction par une solution aqueuse et électrodéposition et (ii) la cristallisation d’un sel double à partir du lixiviat préparé après incinération de la biomasse. La première voie a permis d’obtenir le nickel métal sous forme de cathode, la seconde a conduit au sel double sulfate de nickel et d’ammonium. Les produits ont été caractérisés par différentes techniques. Une étude technico-économique a montré le fort potentiel économique de la production de sel double / This research has been done in the context of the design of an original method aiming at obtaining high added value products of nickel, combining phytoextraction and valorization. Phytoextraction is conducted with the hyperaccumulating plant Alyssum murale, endemic species of serpentine soils in Albania. Serpentine soils can be considered as secondary resources: they contain high concentrations of nickel, which are not high enough for conventional mining techniques. The plant Alyssum murale can extract and concentrate nickel in its tissues. Nickel present in the biomass could be almost totally solubilized in batch reactor and with a 3 step countercurrent process. This leaching produced a solution containing nickel bound to organic molecules and other metals and organic compounds as well. Direct separation processes (e.g. selective precipitation and electrowinning) did not enable us to obtain nickel. Two methods have been investigated: (i) extraction by an organic nickel –selective solvent (Cyanex 272), extraction by an aqueous solution and electrowinning and (ii) crystallization of a double salt, nickel ammonium sulfate, from a leaching solution obtained from biomass ashes. Nickel products were characterized by different techniques. A technico-economical study showed the high commercial potential of the double salt production.

Les sols enrichis en éléments traces métalliques, encore appelés sols métallifères, constituent un modèle original pour l’étude des processus écologiques et évolutifs opérant au sein de la végétation qui y est associée. Au Sud-Est de l’Afrique centrale, dans l’ex-province du Katanga, une succession d’affleurements naturels de roches enrichies en cuivre (Cu) et en cobalt (Co), uniques en leur genre à la surface de la terre, forment le très célèbre « Arc Cuprifère Katangais ». De véritables « collines de cuivre », isolées géographiquement dans une matrice de forêt claire, s’étendent sur plus de 300 Km et constituent des écosystèmes remarquables attirant l’attention de chercheurs depuis plus d’un demi-siècle.Les conditions écologiques extrêmes des collines de Cu et de Co, liées principalement à des concentrations métalliques élevées dans les sols (1 000 à 10 000 fois supérieures aux sols normaux), ont sélectionné des végétations hautement originales et uniques composées de métallophytes, aussi appelées cupro-cobaltophytes, pouvant toutefois présenter des niches écologiques très variables. Certaines de ces plantes possèdent même la fascinante particularité d’accumuler le Cu et/ou le Co dans leurs tissus foliaires à des niveaux de concentrations extrêmement toxiques pour des plantes normales, et sont qualifiées arbitrairement d’hyperaccumulatrices. À ce jour, de fortes variations d’accumulation du Cu et du Co encore mal comprises sont observées chez ces cupro-cobaltophytes. Celles-ci pourraient être expliquées par une variation de la disponibilité du Cu et du Co dans les sols, par une variabilité des mécanismes de tolérance au Cu et au Co, et par une variation de la capacité à accumuler ces métaux.Certaines cupro-cobaltophytes sont restreintes de ces habitats métallifères hors-normes, et d’autres se distribuent plus largement, possédant également des populations au sein d’habitats non-métallifères, en savane ou en forêt, sur sol normal. Ces dernières, à plus large distribution écologique, sont qualifiées de cupro-cobaltophytes facultatives, et constituent des modèles biologiques hautement intéressants pour étudier les processus écologiques et évolutifs liés à la tolérance et l’accumulation du Cu et du Co.La biogéochimie, l’écologie et l’évolution de la tolérance et de l’accumulation du Cu et du Co chez les cupro-cobaltophytes facultatives restent à ce jour peu connues, surtout pour le Co. La stratégie de recherche repose sur une approche interdisciplinaire (biogéochimie, écologie fonctionnelle et écologie évolutive) qui s’articule autour de travaux réalisés à la fois sur le terrain et en conditions contrôlées :sur un sol et en hydroponie. Chez une métallophyte facultative modèle à large amplitude écogéographique :Anisopappus chinensis (Asteraceae), la thèse s’attache à :(i) caractériser la variation phénotypique de l’accumulation du Cu et du Co et connaître les facteurs édaphiques qui l’influence, pour mieux comprendre la disponibilité du Cu et du Co dans les sols métallifères, (ii) tester l’influence de facteurs chimiques du sol sur la mobilité du Cu et du Co dans les sols et sur l’accumulation foliaire de Cu et de Co, (iii) étudier la réponse adaptative de populations métallicoles et non-métallicoles provenant d’habitats très contrastés, et leur réponse plastique au Co, (iv) examiner la variabilité génétique de la capacité à tolérer et à accumuler le Cu et le Co entre des populations métallicoles et non-métallicoles.Les variations d’accumulation de Cu et de Co observées au sein des populations métallicoles d’A. chinensis seraient en grande partie influencées par la teneur en matière organique et les concentrations totales en manganèse et en fer des sols de la zone racinaire. Le Cu et le Co potentiellement dans la solution du sol ne sembleraient pas être les seules fractions expliquant les variations d’accumulation. Les concentrations de Cu et de Co liées respectivement aux oxydes de manganèse et à la matière organique pourraient également représenter une concentration significativement disponible pour les plantes. En culture, une variation dans la mobilité du Cu et du Co dans le sol n’expliquait pas nécessairement une variation dans les concentrations foliaires mesurées chez A. chinensis. La disponibilité du Cu et du Co en milieu métallifère est un concept difficile à appréhender, élément- et espèce-dépendant, qui serait la résultante d’interactions biogéochimiques complexes à l’échelle de la rhizosphère, impliquant les microorganismes.Il existe une réponse adaptative à la diversité d’habitats chez A. chinensis traduite par des hauteurs de plantes et surfaces de feuilles plus faibles chez les populations métallicoles étudiées. Malgré des sols très contrastés chimiquement entre habitats métallifères et non-métallifères, très peu de variations intraspécifiques de la surface foliaire spécifique et des concentrations foliaires en nutriments ont été observées. La très faible réponse plastique au Co chez les populations étudiées d’A. chinensis semble mettre en évidence une homéostasiedes traits fonctionnels foliaires mesurés, qui pourrait expliquer la large niche écologique de l’espèce.La tolérance au Cu n’est pas un attribut vérifié à l’échelle de l’espèce chez A. chinensis. Celle-ci semblerait s’exprimer dans des conditions édaphiques bien particulières sur les sols métallifères, et pourrait être le fruit de processus rhizosphériques impliquant les microorganismes. Une différenciation génétique de la tolérance au Co a été observée chez les populations métallicoles des sols enrichis en Co. Une relation positive entre le degré de tolérance au Co et le niveau de concentration en Co dans le sol natif existerait. Pour la première fois chez une métallophyte, une variation génétique de l’accumulation de Co a été mise en évidence. L’hyperaccumulation du Cu et du Co chez les métallophytes, à de faibles concentrations disponibles dans les sols, n’existerait pas. Anisopappus chinensis provenant de sols enrichis en Co constitue un matériel végétal remarquable à valoriser, puisque s’exprimant comme une véritable accumulatrice de Co en conditions contrôlées. / Soils enriched in trace metal elements (TE) (i.e. metalliferous soils) constitute original model systems to study ecological and evolutionary processes occurring among their associated vegetation. In Southeastern central Africa (Katanga), a unique succession of natural copper (Cu) and cobalt (Co) outcrops occurs; the so-called “Katangan Copperbelt”. Here, scattered over 300 Km, geographically isolated “copper hills” form remarkable ecosystems that strongly contrast with the surrounding clear forest.Soil Cu and Co concentrations of those hills can be 1000- to 10 000-fold higher than in normal soils. These extreme ecological conditions have selected a unique vegetation of metallophytes, also called cupro-cobaltophytes. Some plants have the fascinating peculiarity to accumulate Cu and Co in their tissues up to extremely phytotoxic concentrations and are called “hyperaccumulators”. High misunderstood inter and intraspecific variations of Cu and Co accumulation are observed within this flora. These variations could be explained by variations in Cu and Co availability in soils, but also by inter and intraspecific variations in Cu and Co tolerance mechanisms and capacity to accumulate Cu and Co.Some cupro-cobaltophytes are restricted to metalliferous habitats (i.e. endemic metallophytes) and some are widely distributed, with populations on normal soils (i.e. facultative metallophytes). These latter are of high interest to study the ecology and evolution of Cu and Co tolerance and accumulation.Biogeochemistry, ecology and evolution of Cu and Co tolerance and accumulation in facultative cupro-cobaltophytes remains poorly understood, especially for Co. Research strategy was to develop a transdisciplinary approach (biogeochemistry, functional ecology and evolutionary ecology) based on field works and experiments (using soil or nutrient solution). For Anisopappus chinensis (Asteraceae), a broad-niched and geographically widespread facultative metallophyte chosen as model species, this PhD thesis aims at: (i) investigate the phenotypic variation of Cu and Co accumulation, and the influencing soil chemical factors, to understand better Cu and Co availability in metalliferous soils, (ii) test the influence of soil chemical factors on Cu and Co mobility in soil and accumulation, (iii) studyadaptive response of metallicolous (M) and non-metallicolous (NM) populations from contrasted habitats, and their plastic response to Co, (iv) examine the genetic variation in Cu and Co tolerance and accumulation between M and NM populations.Copper and Co accumulation variations among M populations of A. chinensis are clearly influenced by organic matter content and soil total manganese and iron concentrations in the rooting zone. Mobile Cu and Co concentrations, potentially in the soil solution, would not only explain Cu and Co accumulation variations. Copper and Co bound to respectively manganese oxides and organic matter could also represent Cu and Co available concentrations for plants. In experimental conditions, variations in Cu and Co mobility would not necessary explained variations in foliar Cu and Co concentrations in A. chinensis. Copper and Co availability is a complex element- and species-specific mechanism, closely related to all biogeochemical processes that occur in the rhizosphere. Important role of microorganisms is expected.Adaptive response to habitats has been highlighted for A. chinensis. Metallicolous plants had consistently lower height and leaf size than NM plants. Despite strong contrast in the soil chemistry between metalliferous and non-metalliferous habitats, very few variations in specific leaf area and leaf nutrient concentrations was observed between M and NM populations. The low plastic response to Co seems to reveal homeostasis of the studied functional leaf traits, which might explain the broad ecological niche of the species.Tolerance to Cu is not constitutive of A. chinensis and would be express under specific growth conditions in nature. Expression of Cu tolerance could be the result of specific soil-plant-microorganisms processes. Genetic differentiation in Co tolerance has been demonstrated in M populations from Co-enriched soils. Positive relationship between the level of tolerance to Co and the concentration of Co in the native soil may exist. Genetic variability of Co accumulation has been demonstrated for the first time in a metallophyte. Cu and Co hyperaccumulation at low available concentration in the soil would not exist in metallophytes. Anisopappus chinensis form Co-enriched soils expressed as a genuine Co accumulator and thus, constitute an interesting valuable biological model. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished