Les plantes hyperaccumulatrices de métaux ont développé des mécanismes spécifiques de prélèvement de la fraction disponible des métaux du sol, conduisant à leur accumulation dans les parties aériennes. L’utilisation agronomique de ces plantes pourrait être une voie de dépollution des sols contaminés en métaux. Ce travail a pour objectif de contribuer à la compréhension des mécanismes chimiques et biologiques qui conditionnent l’accumulation du Ni par les plantes hyperaccumulatrices, en réponse à la disponibilité du métal dans le sol. Après observation du fonctionnement naturel du système sol ultramafique-plante hyperaccumulatrice, nous avons étudié, en laboratoire, l’altération de trois phases minérales nickélifères modèles communes des sols ultramafiques (chrysotile, smectite, goethite) soumises à l’influence de trois Brassicacées hyperaccumulatrices de Ni natives de sites de serpentine d’Europe (Leptoplax emarginata, Alyssum murale et Thlaspi caerulescens). Les résultats montrent que dans les sols ultramafiques, le Ni phytodisponible provient majoritairement de l’altération des minéraux nickélifères silicatés ferromagnésiens, hérités de la roche mère. Les hyperaccumulateurs ont un comportement différent en fonction de la disponibilité du Ni des sols. Dans les milieux à forte disponibilité du Ni, les hyperaccumulateurs accumulent le Ni proportionnellement à la disponibilité du Ni du milieu. Elles réduisent ainsi significativement la fraction de Ni initialement disponible du milieu, et ne semblent pas favoriser la dissolution des minéraux porteurs de Ni. A l’inverse, dans les milieux à faible disponibilité du Ni, la présence des hyperaccumulateurs accélère la dissolution de phases minérales nickélifères silicatées, en favorisant la solubilisation du métal. Dans ce cas la plante prélève la quasi-totalité du Ni solubilisé. Ces résultats sont essentiels à l’élaboration d’un modèle de culture qui permettra de faciliter l’application du procédé de phytoextraction du Ni à grande échelle / Metal hyperaccumulator plants developed specific mechanisms to extract available metals from the soil and consequently accumulate them in aerial parts. The agronomic use of these plants for the decontamination of metal polluted soils is under study worlwide. This work was undertaken to better elucidate the chemical and physiological mechanisms that influence Ni accumulation by hyperaccumulators in response of Ni availability in soils. To answer these questions we undertook two approaches. Firstly, a site study to determine the natural functioning of the ultramafic soil-Ni hyperaccumulators system. Secondly, a lab-scale set of experiments that were designed to study the weathering of three ultramafic Ni-minerals (chrysotile, smectite, goethite) in the rhizosphere of three Ni-hyperaccumulating species naturally growing on European serpentine soils (Leptoplax emarginata, Alyssum murale et Thlaspi caerulescens). Results showed that, in ultramafic soils, phytoavailable Ni derives from the weathering of primary nickeliferous ferromagnesian silicates. Hyperaccumulators show a different behaviour depending of Ni availability in the environment of the culture. In environments showing high available Ni, hyperaccumulators accumulate Ni proportionally to Ni availability. In this way, they can significantly reduce the initially available fraction of Ni but do not seem to enhance the weathering of unavailable Ni forms. Contrarily, in environments with extremely low Ni availability, hyperaccumulators may strongly enhance the dissolution of nickeliferous silicate minerals and so favour Ni solubilisation. If so, hyperaccumulators absorb the majority of Ni solubilised. These results are of considerable interest for the elaboration of a crop model designed for the optimisation of the phytoextraction concept and high scale application

L'ingénierie écologique a permis l'émergence de nouvelles technologies telles que la phytoremédiation, une approche de dépollution des sols basée sur l'utilisation des plantes. Cependant, jusqu'à présent, les mécanismes physiologiques et moléculaires qui contrôlent la dégradation des polluants organiques, en particulier les HAPs, restent très mal documentés chez les plantes supérieures. Dans ce travail, une approche intégrative et un profilage trancriptomique à l'échelle du génome entier ont permis d'étudier les premiers événements moléculaires impliqués dans la réponse, chez les plantes, à un stress provoqué par le phénanthrène. Un réseau de gènes susceptibles d'intervenir dans la perception, la dégradation et/ou la transformation des HAPs en molécules moins dangereuses a ainsi été identifié. D'autre part, nous avons pu montrer que le saccharose induit une tolérance à ce polluant, qui se traduit (i) par une activité transcriptionnelle très rapide, ce qui suggère un effet signalétique, (ii) une reconfiguration importante à l'échelle transcriptionnelle du génome exprimé, qui conduit à une mise en place des voies métaboliques de production d'énergie, de détoxification et de réparation cellulaire. Parallèlement, un site pilote de dépollution a été conçu et mis en œuvre, en exploitant les données obtenues au laboratoire. Cette expérimentation, sur deux ans, nous a permis de comparer l'efficacité de plusieurs espèces végétales mais aussi de tester l'effet protecteur du saccharose in-situ. Malgré l'obtention de résultats contrastés, cette étude confirme l'incidence de la nature des espèces végétales et des pratiques culturales sur l'efficacité de cette méthode de dépollution. Elle souligne également le rôle important de l'interaction plante-microorganismes du sol. / Ecological engineering strategies allowed the emergence of new technologies such as phytoremediation to clean up environmental pollution. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are ubiquitous and hazardous molecules for natural ecosystems and human health. However, molecular mechanisms involved in PAHs detoxification in plant remain largely unknown. This work allowed to decipher the early plant response of phenanthrene induced stress through an integrative investigation using wide genome transcriptomic and targeted metabolomic approaches. Hence, a gene network was identified to be involved in the early perception and signalization of PAHs and putative degradation and/or transformation to harmless molecules. Additionally, we showed that sucrose mitigate phenanthrene induced stress, while Arabidopsis development was arrested and seedlings were unable to accumulate chlorophyll in the presence of high phenanthrene concentration, sucrose allowed growth and chlorophyll accumulation. These phenotypical changes were associated with (i) very early transcriptional regulation, suggesting a sucrose signaling effect (ii) reconfiguration of wide genome transcriptional changes, as metabolic, detoxification and cell repair pathways were induced. In parallel, based on previous results accumulated in controlled conditions. Field investigation allowed the evaluation of the ability of different plant species to clean up PAHs polluted soil. We also evaluate the impact of sucrose supply on natural phytoremediation efficiency. Despite contrasted results, this study confirms the incidence of the plant species and the cultural practices on the efficiency of this method. It also underlines the role of soil microorganisms and plant interactions.

Ce travail a pour objectif l'adaptation en climat tropical d'une technique de phytoépuration utilisant le bambou pour le traitement des eaux usées, déjà développée en climat tempéré. L'étude porte sur la détermination de valeurs de référence pour plusieurs espèces de bambou tropicales (i) des capacités d'absorption d'eau, (ii) de production de biomasse aérienne, et (iii) d'absorption des nutriments. La démarche expérimentale a consisté, dans un premier temps, à déterminer la réponse morphologique de sept espèces de bambous, suite à l'apport excessif de nutriments, comme cela peut se produire lors de l'apport d'eaux usées. Dans un deuxième temps, les capacités d'évapotranspiration de cinq espèces de bambous ont été étudiées en cuves lysimètriques. Enfin, la production de biomasse, ainsi que les prélèvements en azote, phosphore et carbone d'un peuplement multispécifique ont été étudiés en réponse à l'apport de lisier, en conditions réelles d'une station pilote. Ces études ont montré que des apports excessifs en nutriments améliorent la croissance du bambou sans causer de stress détectable. Ils améliorent également la capacité photosynthétique des bambous, ainsi que la production de biomasse, qui est augmentée d'un facteur 2 à 6 selon les espèces, par rapport au traitement témoin. La production de biomasse importante, de l'ordre de 20,7 à 80 tonnes de matière sèche produite par hectare et par an, confère aux espèces étudiées des capacités d'extraction élevées, avec des exportations de 400 à 1600 kg.ha-1 en azote, 30 à 130 kg.ha-1 de phosphore et 18 à 67 t.ha-1 de carbone piégé dans la biomasse en deux ans. Les taux d'évapotranspiration des bambous sont plus élevés que ceux de cultures classiques, avec des valeurs moyennes annuelles comprises entre 4 et 7mm/j et des coefficients culturaux moyens de 2,1 à 3,8 selon les espèces. Cette étude a permis d'identifier plusieurs espèces de bambous intéressantes pour le traitement des eaux usées en climat tropical, notamment les espèces Bambusa oldhamii, Bambusa vulgaris et Gigantochloa wrayii. Dans une optique de phytoépuration ces résultats sont d'autant plus encourageants qu'ils ont été obtenus avec des plants de bambou n'ayant pas encore atteints leur pleine maturité. / The aim of this work was to adapt under tropical climate, a wastewater treatment phytotechnology which uses bamboo species, already developed under temperate climate. The objectives of the study were to establish reference values on the water and nutrient uptakes, and on above-ground biomass yields, for different tropical bamboo species. The experimental approach relied first in the quantification of the morphological response of seven bamboo species under high nutrient loads, up to 13.2 t.ha-1.yr-1 of NPK, as it occurs in wastewater treatment system. Second time, the evapotranspiration rates and crop coefficients of five bamboo species were determined using a lysimeter experiment. Finally, the biomass yield and the nitrogen, phosphorus and carbon uptakes were studied for a multi-specific bamboo plantation in response to pig slurry application, at field scale. The results have shown that the high nutrient load (13.2 t.ha-1.yr-1 of NPK) did not cause any detectable stress on the bamboo growth. On the contrary, the photosynthetic activity was improved and the growth rate was increased by 2 to 6 times compared with the control treatment. Depending on bamboo species, the annual biomass yield ranges from 20,7 to 80 t.ha-1.yr-1, and the nutrients storage into the biomass was 400 to 1600 kg.ha-1 for nitrogen, 30 to 130 kg.ha-1 for phosphorus and 18 to 67 t.ha-1 for carbon, in two years of experiment. The yearly average evapotranspiration rates were higher than for typical crops and range from 4 to 7mm.day-1, with average crop coefficients between 2.1 to 3.8, depending on species. Due to their high biomass yield, high nutrient uptakes and high evapotranspiration rates, some bamboo species, i.e. Bambusa oldhamii, Bambusa vulgaris and Gigantochloa wrayii appear as good candidates for wastewater treatment under tropical climate. These results are even more promising since they were obtained for non mature bamboo plants.

Les organochlorés (OCs) -molécules utilisées dans des procédés industriels et en applications agricoles dont la plupart sont interdites d'utilisation de nos jours- sont considérés comme des polluants très persistants représentant une menace pour les eaux de surfaces et souterraines, le sol et l'atmosphère. Des méthodes alternatives de décontamination de sites pollués aux OCs sont développées utilisant des technologies in situ d'écoremédiation. L'objectif du projet de thèse est d'étudier les capacités de phytoremédiation des OCs par deux plantes modèles, Zea mays et Phragmites australis. Les OCs choisis dans cette étude sont, le lindane (γHCH), le monochlorobenzène (MCB), le 1,4-dichlorobenzène (DCB) et le 1,2,4-trichlorobenzène (TCB). Notre approche a été de considérer l'impact sur les fonctions physiologiques des plantes de chaque OC en mono-exposition, puis de comparer ces mêmes réponses physiologiques en multi-exposition. Ce travail a permis de mettre en évidence un effet synergique de l'action du mélange des OCs. Toutefois, Z. mays et P. australis tolérent des concentrations OCs largement supérieures aux concentrations environnementales mesurées in situ. La phytoextraction des OCs a été démontrée par nos expériences en conditions contrôlées et en utilisant des molécules 14C-OCs. Les OCs sont majoritairement bioconcentrés au niveau des organes souterrains des plantes. Enfin, cette étude montre une adaptation de la microflore bactérienne de la rhizosphère en présence d'un gradient d'exposition aux OCs (multi-exposition). Les approches d'isolement et d'études d'empreintes moléculaires (ARNr 16S, SSCP, pyroséquançage 454) ont permis de détecter des souches potentiellement capables d'assurer une rhizodégradation des OCs. / Organochlorines (OCs) -molecules used in industrial processes and in agricultural applications which are prohibited from use nowadays- are classified as very persistent pollutants and show an environmental risk for surface water and groundwater, soil and atmosphere. To restore polluted sites, alternative methods are developed using ecoremediation technologies in situ. The aim of this thesis is to study the OCs phytoremediation capacities using two model plants, Zea mays and Phragmites australis. OCs slected for this work are, lindane (γHCH), monochlorobenzene (MCB), 1,4-dichlorobenzene (DCB) and 1,2,4-trichlorobenzene (TCB). The work strategy was to compare the effects on plant physiological functions when plants were exposed to each OC (mono-exposure) and to a mixture of all OCs (multi-exposure). This study highlighted a synergistic effect of the OCs mixture. However, Z. mays and P. australis were able to tolerate OCs mixture concentrations much higher than the environmental concentrations measured in situ. The OCs phytoextraction was demonstrated by our experiments under controlled conditions and using 14C-OCs molecules. OCs were mostly bioconcentrated in the underground parts of the plants. This study also demonstrated an adaptation of the rhizospheric bacterial microflora under a gradient of OCs exposures (multi-exposure). The techniques used (16S rRNA, SSCP, 454 pyrosequencing) held to the detection of strains potentially able to provide OC-rhizodegradation.

Parmi les principaux polluants générés par les activités industrielles, les métaux lourds, tels que le Cu, le Pb, le Cr... posent des problèmes particulièrement préoccupants. En effet, ces éléments, par nature non biodégradables, présentent une forte écotoxicité et pourraient être impliqués dans de nombreuses pathologies. Ainsi, pour reprendre les termes d'un récent rapport de l'Office Parlementaire des Choix Scientifiques et Technologiques : « si les métaux lourds ont fait la civilisation, ils peuvent aussi la défaire ». Il est donc aujourd'hui indispensable non seulement de mieux connaître les effets de ces polluants sur les organismes vivants, mais aussi de mettre en œuvre des solutions durables, visant à limiter leurs risques. Dans ce contexte, les plantes représentent un objet d'étude intéressant. En effet, celles-ci, directement confrontées aux composés toxiques du milieu, pourraient non seulement être utilisées en tant que marqueurs de la toxicité du milieu, mais aussi en tant qu'outil de stabilisation des polluants. Cependant, à l'heure actuelle, les données concernant l'influence des métaux lourds sur les communautés végétales soumises à une exposition chronique de polluants, de même que le rôle des plantes sur le devenir des métaux, sont encore insuffisantes. Il est donc nécessaire de poursuivre les recherches dans ce domaine afin de mieux comprendre les modalités des interactions entre les plantes et les milieux pollués et de trouver de nouvelles espèces utilisables dans des programmes de phytoremédiation.<br />Pour répondre à cet objectif, l'étude des populations végétales naturelles de trois crassiers métallurgiques de la région Rhône-Alpes a été réalisée. Malgré de fortes teneurs en métaux lourds, les relevés réalisés ont permis de répertorier un peu plus de 200 espèces de plantes supérieures appartenant à une cinquantaine de familles botaniques. Par ailleurs, l'utilisation d'une méthode chimique normalisée a montré que la fraction métallique “phytodisponible” était importante. Par opposition, l'analyse des concentrations foliaires n'a pas permis de mettre en évidence une accumulation métallique supérieure à celle retrouvée dans une plante référence. Par conséquent, le risque de transfert des polluants métalliques apparaît limité. L'analyse des relevés phytosociologique a cependant révélé que le substrat influence l'organisation de groupements végétaux inédits, qui pourraient être utiles pour désigner la végétation la plus adaptée pour un programme de phytoremédiation. Au sein de ces groupements, une espèce abondante, Plantago arenaria Waldst. & Kit. a montré de bonnes capacités de tolérance vis-à-vis de différents métaux lourds, en particulier pour le cadmium. Il s'est avéré que la tolérance de cette espèce est un caratère constitutif pour le Cd et le Ni et un caractère adaptatif pour le Cu. Cette bonne tolérance constitutive pourrait être une caractéristique des plantes pionnières et résistantes à la sécheresse. Chez cette espèce, les mécanismes de résistance au cadmium semblent impliquer une activation du système anti-oxydant racinaire et une limitation de la translocation.<br />La suite possible de ce travail pourrait consister à orienter les recherches vers les mécanismes complémentaires de la résistance aux métaux lourds chez P. arenaria et notamment en ce qui concerne les phénomènes de chélation intracellulaire. D'autre part, il serait intéressant de procéder aux premiers tests de recolonisation en conditions réelles.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'ingénierie écologique a permis l'émergence de nouvelles technologies telles que la phytoremédiation, une approche de dépollution des sols basée sur l'utilisation des plantes. Cependant, jusqu'à présent, les mécanismes physiologiques et moléculaires qui contrôlent la dégradation des polluants organiques, en particulier les HAPs, restent très mal documentés chez les plantes supérieures. Dans ce travail, une approche intégrative et un profilage trancriptomique à l'échelle du génome entier ont permis d'étudier les premiers événements moléculaires impliqués dans la réponse, chez les plantes, à un stress provoqué par le phénanthrène. Un réseau de gènes susceptibles d'intervenir dans la perception, la dégradation et/ou la transformation des HAPs en molécules moins dangereuses a ainsi été identifié. D'autre part, nous avons pu montrer que le saccharose induit une tolérance à ce polluant, qui se traduit (i) par une activité transcriptionnelle très rapide, ce qui suggère un effet signalétique, (ii) une reconfiguration importante à l'échelle transcriptionnelle du génome exprimé, qui conduit à une mise en place des voies métaboliques de production d'énergie, de détoxification et de réparation cellulaire. Parallèlement, un site pilote de dépollution a été conçu et mis en œuvre, en exploitant les données obtenues au laboratoire. Cette expérimentation, sur deux ans, nous a permis de comparer l'efficacité de plusieurs espèces végétales mais aussi de tester l'effet protecteur du saccharose in-situ. Malgré l'obtention de résultats contrastés, cette étude confirme l'incidence de la nature des espèces végétales et des pratiques culturales sur l'efficacité de cette méthode de dépollution. Elle souligne également le rôle important de l'interaction plante-microorganismes du sol.

L'ingénierie écologique a permis l'émergence de nouvelles technologies telles que la phytoremédiation, une approche de dépollution des sols basée sur l'utilisation des plantes. Cependant, jusqu'à présent, les mécanismes physiologiques et moléculaires qui contrôlent la dégradation des polluants organiques, en particulier les HAPs, restent très mal documentés chez les plantes supérieures. Dans ce travail, une approche intégrative et un profilage trancriptomique à l'échelle du génome entier ont permis d'étudier les premiers événements moléculaires impliqués dans la réponse, chez les plantes, à un stress provoqué par le phénanthrène. Un réseau de gènes susceptibles d'intervenir dans la perception, la dégradation et/ou la transformation des HAPs en molécules moins dangereuses a ainsi été identifié. D'autre part, nous avons pu montrer que le saccharose induit une tolérance à ce polluant, qui se traduit (i) par une activité transcriptionnelle très rapide, ce qui suggère un effet signalétique, (ii) une reconfiguration importante à l'échelle transcriptionnelle du génome exprimé, qui conduit à une mise en place des voies métaboliques de production d'énergie, de détoxification et de réparation cellulaire. Parallèlement, un site pilote de dépollution a été conçu et mis en œuvre, en exploitant les données obtenues au laboratoire. Cette expérimentation, sur deux ans, nous a permis de comparer l'efficacité de plusieurs espèces végétales mais aussi de tester l'effet protecteur du saccharose in-situ. Malgré l'obtention de résultats contrastés, cette étude confirme l'incidence de la nature des espèces végétales et des pratiques culturales sur l'efficacité de cette méthode de dépollution. Elle souligne également le rôle important de l'interaction plante-microorganismes du sol.

Mon projet de maîtrise avait pour but d’évaluer la faisabilité d’une solution de phytoremédiation par phyto-extraction d’un sol modérément contaminé en zinc et en arsenic. Cette évaluation s’est basée sur les résultats d’une expérience en pots réalisée dans un tunnel de croissance de l’Institut de recherche en biologie végétale (IRBV) durant l’été 2015. Le sol utilisé provenait directement du site contaminé. Les plantes choisies pour cette expérience étaient deux cultivars de saule, Salix purpurea ‘Fish Creek’ et Salix miyabeana ‘SX67’ ainsi que trois herbacées Medicago sativa, Festuca arundinacea et un mélange de plantes utilisé pour la stabilisation de sol. L’impact d’un agent chélateur (acide nitrilotriacétique, NTA) sur la phytoremédiation et le développement des espèces a également été étudié. Les saules ont extrait deux à trois fois plus de zinc que les herbacées. La tendance était inversée pour l’arsenic avec une extraction deux à trois fois plus grande chez les herbacées. Le chélateur NTA a eu un effet positif sur la biomasse aérienne des plantes et sur la phyto-extraction du zinc, mais pas sur la phyto-extraction de l’arsenic. Une diminution importante de la quantité de zinc et d’arsenic a été observée dans les sols. Cette diminution provient des effets combinés de la phyto-extraction et d’autres facteurs, comme la variabilité intrinsèque du sol ainsi que son lessivage. La phyto-extraction de l’arsenic a donné des résultats médiocres, quels que soient les traitements et les plantes utilisés. Les résultats obtenus démontrent l’efficacité des saules et le potentiel du chélateur NTA pour la phyto-extraction du zinc. / My master project aimed to evaluate if phytoremediation by phytoextraction was a viable solution in cleaning up a moderately contaminated soil in zinc and arsenic. This evaluation was based on the results of a potted experiment done within Montreal Botanical Garden, in a growth tunnel set up by Institut de recherche en biologie végétale (IRBV). The soil was collected from a contaminated site. We chose the following plants species: two willow cultivars, Salix purpurea ‘Fish Creek’ and Salix miyabeana ‘SX67’, two grasses Medicago sativa L., Festuca arundinacea and a mix of grasses used for soil stabilization. The impact of a chelating agent (nitrilotriacetic acid, NTA) on phytoextraction and plant growth was also assessed. Salix extracted two to three time more zinc than the grasses. For arsenic, the opposite trend was observed, with two to three times more arsenic extracted by grasses. Chelator NTA had a positive effect on above ground biomass and overall phytoextraction of zinc, but not for arsenic phytoextraction. A significant diminution of zinc and arsenic was observed in soil after the experiment. This diminution comes from the combined effects of phytoextraction and other factors, such as intrinsic soil variability and its leaching. Arsenic phytoextraction was overall mediocre regardless of the species and treatments used. These results show the effectiveness of willows and potential from chelator NTA for zinc phytoextraction.

La pollution environnementale constitue un problème majeur pour les écosystèmes naturels et la santé publique. Récemment, la phytoremédiation a émergé comme une stratégie innovante, écologique et à faible coût. Elle consiste à utiliser les capacités des plantes à stocker ou/et à dégrader les polluants. Dans cette étude, des analyses physiologiques, biochimiques et métabolomiques, ont permis de montrer que les halophytes, une catégorie des plantes extrêmophiles, présentent une grande capacité à remédier la pollution engendrée par les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAPs). D'autre part, la salinité modérée améliore leur capacité phytoremédiatrice. Ces résultats apportent de nouvelles données pouvant contribuer à l'amélioration de cette stratégie. / Halopytes, plants naturally adapted to high salt concentrations, have no clear definition, yet. Their cross-tolerance to abiotic stresses was reviewed in this work at the physiological, biochemical, and molecular levels, with a special emphasis on the mechanisms involved in their cross-tolerance to salinity and organic pollutants that could allow them a higher potential of xenobiotic phytoremediation as compared to glycophytes. In our experimental part, we compared in a first step some physiological and antioxidant responses to phenanthrene as well as its accumulation in the two related model plants Arabidopsis thaliana (glycophyte) and Thellungiella salsuginea (halophyte).In a second step, we investigated the effects of moderate salinity on the responses of the two species to phenanthrene considered as model Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) molecule. Obtained results showed an improvement of phenanthrene-induced responses in the two plants, the effect being more marked in the halophyte. This observation was particularly related to higher antioxidant activities and the induction of more adapted metabolism as several accumulated metabolites are known to be involved in signaling and osmotic adjustment processes. In a final step, we studied the potential of the halophyte Cakile maritima to remediate an inert sand (to avoid the degradation of the pollutant by microorganisms or their interaction with the plant) highly contaminated with phenanthrene.