Deux légumineuses (Anthyllis vulneraria et Lotus corniculatus) adaptées aux métaux lourds constituent un matériel d’intérêt pour la phytostabilisation de sites miniers. Leur fonction de fixatrices biologiques d’azote grâce à leur symbiose avec des bactéries symbiotiques permet l’établissement efficace d’une couverture végétale durable limitant la dispersion des métaux dans l’environnement. Nos objectifs ont été d’étudier les effets des métaux lourds et de la plante hôte sur les populations symbiotiques naturellement associées à ces légumineuses en analysant (i) les populations symbiotiques associées à A. vulneraria sur 8 sites contaminés ou non (ii) les populations de rhizobia associées à L. corniculatus qui ont été comparées à celles d’Anthyllis. La distribution des souches de Mesorhizobium isolées de nodosités d’A. vulneraria et provenant de plusieurs sites contaminés ou non dépend des fortes teneurs en métaux lourds des sols qui sélectionnent fortement les souches symbiotiques résistantes et influencent leur composition taxonomique. Les souches appartenant à l’espèce M. metallidurans ont été retrouvées seulement dans les sites fortement contaminés. Deux nouvelles espèces potentielles et résistantes aux métaux semblent exister chacune sur un site minier distinct. L’une d’elle est proche de M. ciceri et de M. loti et tous ses membres présentent la particularité de ne pas posséder de gène cadA, un gène impliqué dans la tolérance aux métaux chez M. metallidurans. Par contre, les sites non contaminés révèlent une diversité taxonomique différente avec la présence de nouvelles espèces de Mesorhizobium sensibles aux métaux lourds. Quatre de ces nouvelles espèces ont été définies. A. vulneraria et L. corniculatus partagent la même diversité taxonomique dans les sites contaminés testés. Par contre, les propriétés symbiotiques des souches varient selon la plante hôte utilisée pour le piégeage. Les souches appartiennent soit au symbiovar (sv.) anthyllidis soit au sv. loti selon le site géographique d’origine et ceci indépendamment des teneurs en métaux lourds dans le sol. A. vulneraria s’associe avec les souches possédant les sv. anthyllidis ou sv. loti. En revanche, L. corniculatus ne s’associe qu’avec des souches du sv. loti. Dans tous les sols qu’ils soient contaminés ou non, A. vulneraria nodule préférentiellement avec le sv. anthyllidis. En conclusion, A. vulneraria et L. corniculatus établissent des symbioses avec les mêmes espèces de Mesorhizobium et s’associent préférentiellement avec un sv. Les taxons retrouvés dépendent fortement des sites d’isolement, ce qui pourrait traduire des adaptations particulières aux conditions environnementales. L’utilisation des ressources biologiques locales est une stratégie que nous recommandons pour la végétalisation d’anciens sites miniers. / Two legumes (Anthyllis vulneraria and Lotus corniculatus) adapted to heavy metals form an interesting material for phytostabilisation strategy in mining sites. As biological nitrogen fixators, these legumes associated with compatible symbiotic bacteria provide an efficient establishment of a sustainable cover vegetation limiting metal dispersion in the environment. Our objectives were to study the effects of heavy metals and the host plant on symbiotic populations naturally associated with these legumes by analyzing (i) symbiotic populations associated with A. vulneraria on 8 contaminated and uncontaminated sites (ii) rhizobial populations associated with L. corniculatus that were compared with those of Anthyllis. The distribution of mesorhizobial strains isolated from A. vulneraria root-nodules from several contaminated and uncontaminated sites depends on high levels of heavy metals in soils by selecting highly resistant strains and impacting the taxonomic composition. Strains belonging to M. metallidurans were only found in highly contaminated sites. Two new potential metal-tolerant species were detected in two distinct mines. One of them was closely related to M. ciceri and M. loti and its members had the feature of not -possessing the cadA gene, a gene involved in metal-tolerance among M. metallidurans strains. By contrast, uncontaminated sites revealed a different taxonomic diversity with new species sensitive to heavy metals. Four of these new species were defined. A. vulneraria and L. corniculatus share the same taxonomic diversity in the contaminated sites tested. By contrast, symbiotic properties of the strains vary depending on the host plant used for trapping. Strains belong either to symbiovar (sv.) anthyllidis or to sv. loti according to geographic origins and independently of heavy metal levels in soils. A. vulneraria associated with strains of sv. anthyllidis or sv. loti. In contrast, L. corniculatus only associated with strains of sv. loti. In contaminated or uncontaminated soils, A. vulneraria was preferentially nodulated by sv. anthyllidis. In conclusion, A. vulneraria and L. corniculatus established symbiotic relationships with the same taxonomic groups of Mesorhizobium but associated with different symbiovars. The finding of taxonomic groups strongly depends on geographical sites, suggesting special adaptations to environmental conditions. Use of local biological resources is the strategy we recommend for revegetation of old mines.

<p>Mine tailings can be rich in sulphide minerals and may form acid mine drainage (AMD) through reaction with atmospheric oxygen and water. AMD contains elevated levels of metals and arsenic (As) that could be harmful to animals and plants. An oxygen-consuming layer of organic material and plants on top of water-covered tailings would probably reduce oxygen penetration into the tailings and thus reduce the formation of AMD. However, wetland plants have the ability to release oxygen through the roots and could thereby increase the solubility of metals and As. These elements are released into the drainage water, taken up and accumulated in the plant roots, or translocated to the shoots. </p><p>The aim was to examine the effects of plant establishment on water-covered mine tailings by answering following questions: A) Is plant establishment on water-covered mine tailings possible? B) What are the metal and As uptake and translocation properties of these plants? C) How do plants affect metal and As release from mine tailings, and which are the mechanisms involved?</p><p><i>Carex rostrata Stokes, Eriophorum angustifolium</i> Honck., <i>E. scheuchzeri</i> Hoppe, <i>Phragmites australis</i> (Cav.) Steud., <i>Salix phylicifolia</i> L. and <i>S. borealis</i> Fr. were used as test plants. Influences of plants on the release of As, Cd, Cu, Pb, Zn and in some cases Fe in the drainage water, and plant element uptake were studied in greenhouse experiments and in the field. </p><p>The results obtained demonstrate that plant establishment are possible on water-covered unweathered mine tailings, and a suitable amendment was found to be sewage sludge. On acidic, weathered tailings, a pH increasing substance such as ashes should be added to improve plant establishment. The metal and As concentrations of the plant tissue were found to be generally higher in roots than in shoots. The uptake was dependent on the metal and As concentrations of the tailings and the release of organic acids from plant roots may have influenced the uptake. The metal release from tailings into the drainage water caused by<i> E. angustifolium </i>was found to depend greatly on the age and chemical properties of the tailings. However, no effects of <i>E. angustifolium </i>on As release was found. Water from old sulphide-, metal- and As-rich tailings with low buffering capacity were positively affected by <i>E. angustifolium </i>by causing higher pH and lower metal concentrations. In tailings with relatively low sulphide, metal and As contents combined with a low buffering capacity, plants had the opposite impact, i.e. a reduction in pH and elevated metal levels of the drainage water. The total release of metal and As from the tailings, i.e. drainage water together with the contents in shoots and roots, was found to be similar for <i>C. rostrata</i>, <i>E. angustifolium </i>and <i>P. australis</i>, except for Fe and As, where the release was highest for <i>P. australis</i>. The differences in metal and As release from mine tailings were mainly found to be due to the release of O₂from the roots, which changes the redox potential. Release of organic acids from the roots slightly decreased the pH, although did not have any particular influence on the release of metal and As. </p><p>In conclusion, as shown here, phytostabilisation may be a successful technique for remediation of mine tailings with high element and sulphide levels, and low buffering capacity.</p>

Ce travail a pour objectif la mise en place d'un procédé de phytostabilisation sur un ancien site industriel, la Vieille Usine d'Auzon (43, France). La caractérisation pédochimique du site atelier a révélé une pollution polymétallique par l'As, Pb, Sb, Cd et Cu. L'As, de par sa concentration totale et sa biodisponibilité dans le sol, est considéré comme le polluant le plus présent et le plus toxique. L'étude floristique réalisée sur le site a relevé une flore métallicole dominée par des pseudométallophytes électives telles que Agrostis capillaris, Equisetum arvense, ou les Euphorbiacées. De manière générale, la majorité des espèces présentes sur la friche industrielle a accumulé de très faibles quantités de polluants (As, Pb) dans ces parties aériennes. Dans un deuxième temps, les travaux ont porté sur les effets induits par les ETM au niveau physiologique et biochimique chez des modèles végétaux, Agrostis capillaris, Solanum nigrum, Vicia faba et Cannabis sativa. Ces données ont mis en évidence la sensibilité de V. faba et la tolérance de S. nigrum à la pollution aux ETM, un maintien de l'activité physiologique mais un ralentissement de la croissance de C. sativa sur sol pollué et une tolérance adaptative d'A. capillaris à la pollution du sol. Par ailleurs, une culture en hydroponie de S. nigrum et V. faba en présence d'As inorganique, arsénite et arséniate, à différentes concentrations a permis de mettre en évidence deux effets de l'As. Celui-ci a provoqué une altération de la structure et du fonctionnement des PSII, plus sensibles à l'As(III), et, une inhibition de l'activité oxygénase et carboxylase de la Rubisco, cible privilégiée de l'As(V). Enfin, ces résultats ont été utilisés dans le cadre de l'expérimentation in situ pour la validation d'un procédé de phytostabilisation sur la friche industrielle d'Auzon. Les effets de la combinaison d'une association d'espèces prairiales et d'un amendement de grenaille de fer zérovalent ou/et de compost ont pu être caractérisés. L'ajout de grenaille de fer au sol complété par un apport de compost a accentué la réduction de la disponibilité de l'As et dans une moindre mesure de Sb. De plus, il a permis d'enrichir le sol en élément minéraux et organiques et a ainsi facilité l'implantation d'un couvert végétal constitué d'espèces végétales à phénotype d'exclusion. Cette expérience in-situ a donc permis de mettre en avant la faisabilité d'un procédé de phytostabilisation dans la dépollution et la revalorisation de sites industriels.

Mine tailings can be rich in sulphide minerals and may form acid mine drainage (AMD) through reaction with atmospheric oxygen and water. AMD contains elevated levels of metals and arsenic (As) that could be harmful to animals and plants. An oxygen-consuming layer of organic material and plants on top of water-covered tailings would probably reduce oxygen penetration into the tailings and thus reduce the formation of AMD. However, wetland plants have the ability to release oxygen through the roots and could thereby increase the solubility of metals and As. These elements are released into the drainage water, taken up and accumulated in the plant roots, or translocated to the shoots. The aim was to examine the effects of plant establishment on water-covered mine tailings by answering following questions: A) Is plant establishment on water-covered mine tailings possible? B) What are the metal and As uptake and translocation properties of these plants? C) How do plants affect metal and As release from mine tailings, and which are the mechanisms involved? Carex rostrata Stokes, Eriophorum angustifolium Honck., E. scheuchzeri Hoppe, Phragmites australis (Cav.) Steud., Salix phylicifolia L. and S. borealis Fr. were used as test plants. Influences of plants on the release of As, Cd, Cu, Pb, Zn and in some cases Fe in the drainage water, and plant element uptake were studied in greenhouse experiments and in the field. The results obtained demonstrate that plant establishment are possible on water-covered unweathered mine tailings, and a suitable amendment was found to be sewage sludge. On acidic, weathered tailings, a pH increasing substance such as ashes should be added to improve plant establishment. The metal and As concentrations of the plant tissue were found to be generally higher in roots than in shoots. The uptake was dependent on the metal and As concentrations of the tailings and the release of organic acids from plant roots may have influenced the uptake. The metal release from tailings into the drainage water caused by E. angustifolium was found to depend greatly on the age and chemical properties of the tailings. However, no effects of E. angustifolium on As release was found. Water from old sulphide-, metal- and As-rich tailings with low buffering capacity were positively affected by E. angustifolium by causing higher pH and lower metal concentrations. In tailings with relatively low sulphide, metal and As contents combined with a low buffering capacity, plants had the opposite impact, i.e. a reduction in pH and elevated metal levels of the drainage water. The total release of metal and As from the tailings, i.e. drainage water together with the contents in shoots and roots, was found to be similar for C. rostrata, E. angustifolium and P. australis, except for Fe and As, where the release was highest for P. australis. The differences in metal and As release from mine tailings were mainly found to be due to the release of O2 from the roots, which changes the redox potential. Release of organic acids from the roots slightly decreased the pH, although did not have any particular influence on the release of metal and As. In conclusion, as shown here, phytostabilisation may be a successful technique for remediation of mine tailings with high element and sulphide levels, and low buffering capacity.

Ce travail a pour objectif la mise en place d'un procédé de phytostabilisation sur un ancien site industriel, la Vieille Usine d'Auzon (43, France). La caractérisation pédochimique du site atelier a révélé une pollution polymétallique par l'As, Pb, Sb, Cd et Cu. L'As, de par sa concentration totale et sa biodisponibilité dans le sol, est considéré comme le polluant le plus présent et le plus toxique. L'étude floristique réalisée sur le site a relevé une flore métallicole dominée par des pseudométallophytes électives telles que Agrostis capillaris, Equisetum arvense, ou les Euphorbiacées. De manière générale, la majorité des espèces présentes sur la friche industrielle a accumulé de très faibles quantités de polluants (As, Pb) dans ces parties aériennes. Dans un deuxième temps, les travaux ont porté sur les effets induits par les ETM au niveau physiologique et biochimique chez des modèles végétaux, Agrostis capillaris, Solanum nigrum, Vicia faba et Cannabis sativa. Ces données ont mis en évidence la sensibilité de V. faba et la tolérance de S. nigrum à la pollution aux ETM, un maintien de l'activité physiologique mais un ralentissement de la croissance de C. sativa sur sol pollué et une tolérance adaptative d'A. capillaris à la pollution du sol. Par ailleurs, une culture en hydroponie de S. nigrum et V. faba en présence d'As inorganique, arsénite et arséniate, à différentes concentrations a permis de mettre en évidence deux effets de l'As. Celui-ci a provoqué une altération de la structure et du fonctionnement des PSII, plus sensibles à l'As(III), et, une inhibition de l'activité oxygénase et carboxylase de la Rubisco, cible privilégiée de l'As(V). Enfin, ces résultats ont été utilisés dans le cadre de l'expérimentation in situ pour la validation d'un procédé de phytostabilisation sur la friche industrielle d'Auzon. Les effets de la combinaison d'une association d'espèces prairiales et d'un amendement de grenaille de fer zérovalent ou/et de compost ont pu être caractérisés. L'ajout de grenaille de fer au sol complété par un apport de compost a accentué la réduction de la disponibilité de l'As et dans une moindre mesure de Sb. De plus, il a permis d'enrichir le sol en élément minéraux et organiques et a ainsi facilité l'implantation d'un couvert végétal constitué d'espèces végétales à phénotype d'exclusion. Cette expérience in-situ a donc permis de mettre en avant la faisabilité d'un procédé de phytostabilisation dans la dépollution et la revalorisation de sites industriels. / This work aims to the establishment of a phytostabilization process on an old industrial site, "La Vieille Usine" in Auzon (43, France). The pedochemical characterization revealed a polymetallic pollution by As, Pb, Sb, Cd, Cu. The As, by its total content and its bioavailability, is considered as the most concentrated and toxic. A floristic study noted a metallicolous flora dominated by elective pseudometallophyte species such as Agrostis capillaris, the dominant specie, Equisetum arvense, or Euphorbiaceae. Broadly speaking, the majority of species on the industrial site has accumulated very low amounts of pollutants (As, Pb) in these shoots. To better understand the trace element effects on different plants, Agrostis capillaris, Solanum nigrum, Cannabis sativa and Vicia faba were grown on the Auzon’s soil under controlled conditions. These data highlighted (i) the sensitivity of V. faba and the tolerance of S. nigrum to trace element pollution; (ii) for C. sativa, the maintenance of its physiological activity but a slowdown of its growth; (iii) the adaptative tolerance of A. capillaris to soil pollution. In addition, a hydroponics culture of S. nigrum and V. faba in the presence of different concentrations and different oxidation degrees (arsenite and arsenate) of inorganic As allowed to identify two main effects of As at physiological and biochemical level. First, it alters the structure and function of PSII, which seems more sensitive to As(III), and, secondly, it inhibits the carboxylase and oxygenase activities of Rubisco, the main target of As(V). These data were then used to conduct an in-situ experiment based on a phytostabilization process on the industrial wasteland of Auzon. The effects of the combination of an grassland species association with a zerovalent iron shot and/or compost amendment were characterized. The addition of iron shot on the soil completed with compost decreased the available fraction of As and to a lesser extent Sb. Moreover, the amendments allowed to enrich the soil with mineral and organic elements and to facilitate the establishment of vegetal cover composed by tolerant plants with an exclusion phenotype. This in-situ experience enabled to highlight the feasibility of a phytostabilization method in the depollution of industrial sites as in their enhancement.

Sur un site de traitement du bois dont les sols étaient contaminés en Cu, une remédiation par la phytostabilisation aidée a été développée et évaluée. Les objectifs étaient : 1) L’évaluation initiale des risques. 2) La sélection d’amendements efficaces pour immobiliser le Cu et restaurer la croissance des végétaux. 3) La sélection d’espèces végétales tolérantes au Cu. 4) L’établissement in situ et le suivi de parcelles d’amendements et d’espèces potentiellement efficaces pour la phytostabilisation. 5) La caractérisation de mécanismes de tolérance d’une Poaceae, Agrostis capillaris. La contamination des sols de surface augmente la mortalité d’invertébrés terrestres et d’espèces végétales, diminue les biomasses et la diversité des communautés végétales et modifie leur composition. L’exposition des racines du haricot au Cu a été diminuée par l’ajout d’amendements au sol, les plus efficaces étant la matière organique, seule ou combinée avec un composé alcalin ou du fer zérovalent. Dans les communautés végétales établies, des espèces natives tolérantes au Cu, i.e. Agrostis capillaris on été identifiées. Les tests en pot ont confirmé la tolérance de plusieurs espèces et souligné des différences de tolérance inter- et intra-espèces. Après les tests en pots, certaines espèces ont été transplantées in situ ainsi que d’autres espèces identifiées d’après la littérature. Après deux ans de phytostabilisation aidée, l’écotoxicité des sols pour le haricot diminue et l’installation spontanée d’espèces augmente. L’association des arbres avec des ectomycorhizes a permis d’améliorer la croissance de P. nigra, cependant le rôle des mycorhizes et d’autres micro-organismes pour améliorer la phytostabilisation reste à confirmer. Une espèce, A. capillaris, a été utilisée pour identifier des mécanismes de tolérance au Cu dans les racines. Le protèome de deux écotypes, métallicole et non métallicole, a été comparé en conditions d’exposition croissante au Cu, en vue de détecter une synthèse différentielle des protéines solubles et de les séquencer. / At a timber treatment site, there is a major Cu contamination of topsoils. Soil remediation was developed and assessed, especially aided phytostabilisation. Main objectives were: 1) Initial risk assessment; 2) The selection of efficient amendments for increasing Cu stabilization and plant growth; 3) The selection of Cu-tolerant plant species; 4) The in situ appraisal of the best amendments and plant species with a long term monitoring of the plots; 5) The characterisation of the tolerance mechanisms of a Poaceae species, A. capillaris. The topsoil contamination increased the mortality for two terrestrial invertebrates and plant species, decreased the biomass and diversity of plant communities and modified their composition as well. Root exposure to Cu was decreased with the incorporation of amendments, i.e. organic matters, singly or in combination with alkaline materials or zerovalent iron grit. In established plant communities, native Cu tolerant species were recorded. Pot experiments confirmed several plant species as Cu tolerant and highlighted differential tolerance across plant species and populations. Some plant species were transplanted to the site and the soil Cu labile pool was decreased by mixing amendments. After a two-year period of aided phytostabilisation, bean exposure decreased, native plant species naturally disseminated and diversity increased. The association of trees with ectomycorhiza improved the growth of P. nigra. The role of mycorhiza and other micro-organisms in improving phytostabilisation was not clear-cut but is a promising option. One of the tolerant plant species, A. capillaris, was chosen to identify the Cu tolerance mechanisms in roots. The proteome of two populations, one metallicolous and one non metallicolous, was extracted and differential synthesis of soluble proteins compared in order to identify and sequence candidates.

Depuis le début de l'industrialisation, de nombreux déchets contaminés en éléments métalliques et métalloïdes sont rejetés dans l'environnement sans aucune gestion. L’activité minière a généré des quantités colossales de déchets, fins et non consolidés, riches en EMM stockés sous forme de terrils ou entreposés dans des bassins de décantation puis laissés à l’abandon à l’air libre sans aucun aménagement ni protection. Ces déchets restent sur place exposés à une forte érosion éolienne et hydriques induisant une dissémination des particules contaminées dans les différents compartiments de l’environnement (sols/sédiments/eau/atmosphère). Dans un premier temps, l’étude du devenir des éléments métalliques et métalloïdes dans les sols contaminés relatif à l’activité minière ont mis en évidence la présence de risques environnementaux et sanitaires associés. Les résultats soulignent que (i) le comportement géochimique des trois éléments (cadmium, zinc et plomb) est différent, (ii) la spéciation de ces éléments change clairement entre les déchets miniers et les sols, (iii) le Pb plomb peut causer des effets néfastes sur la santé pour les enfants. Dans un second temps, deux techniques de réhabilitation des sites contaminés ont été appréhendées: i) dans le cadre de la refonctionnalisation des sols, la potentialité d’une phytostabilisation assistée par des amendements organique et inorganique de parcelles contaminées avec le sapin de Douglas, ainsi que ii) la valorisation ex-situ par attaque des déchets miniers par voie alcaline qui mets en jeu la réduction de la source de pollution. / Since the beginning of industrialization, many wastes contaminated with metal(loid)shave been released into the environment without any management. Mining has generated huge quantities of fine, unconsolidated waste, rich in metal(loid)s, stored in tailing or in settling ponds and then left to be abandoned in the open air without any development or protection. This waste remains on site exposed to strong wind and water erosion leading to the spread of contaminated particles in the various environmental compartments (soil/sediment/water/atmosphere). First, the study of the fate of metal(loid)s in contaminated soils related to mining activity revealed the presence of associated environmental and health risks. The results highlight that (i) the geochemical behaviour of the three elements (cadmium, zinc and lead) is different, (ii) the speciation of these elements clearly changes between tailings and soils, (iii) Pb lead can cause adverse health effects for children. In a second step, two techniques for the rehabilitation of contaminated sites were apprehended: (i) in the context of soil refunctionalization, the potential for phytostabilization assisted by organic and inorganic amendments of plots contaminated with Douglas fir, as well as (ii) ex-situ recovery by attacking mining waste by alkaline way, which involves reducing the pollution source.

Le phytomanagement est un mode de gestion de sites et sols pollués émergent qui inclut la valorisation de la biomasse produite. Pour alimenter les retours d’expérience en conditions réelles et sur le long terme, deux essais de phytomanagement de 1 ha chacun (sites A et B) ont été mis en place à Fresnes-sur-Escaut (Hauts-de-France) en 2011/2012 sur un terrain de gestion de sédiments de curage contaminés par des éléments potentiellement toxiques ou EPT (Cd, Cu, Pb et Zn). Dans ce contexte, les travaux de thèse réalisés sur ces sites avaient pour objectifs d’étudier : (1) la dynamique et la performance des espèces végétales sélectionnées (Deschampsia cespitosa, peupliers Skado et I-214, saule Tordis et Inger), des plantes colonisatrices et envahissantes, (2) l’effet des amendements (inoculum de champignons mycorhiziens, amendement minéral basique) sur la mobilité des EPT dans le sol, sur l’accumulation des EPT dans les parties aériennes des plantes et impact sur la diversité microbienne des sols et des racines ligneuses.L’efficacité de l’espèce herbacée D. cespitosa pour le phytomanagement du site B a été démontrée. Tolérante aux conditions du site, cette plante a présenté de faibles concentrations en Cd, Cu et Pb dans ses parties aériennes et a formé un couvert dense et pérenne. La végétalisation du site A par des plantes colonisatrices était hétérogène avec une dominance de l’espèce Urtica dioïca.Sur les parcelles amendées et non amendées, les concentrations mesurées chez U. dioïca étaient plus élevées en Cd, Pb, Cu et Zn comparées aux mêmes plantes issues de sols non contaminés. Selon les calculs préliminaires de risques basés sur les concentrations mesurées dans les plantes herbacées enrichies en Cd et Zn, les risques liés à leur ingestion par les herbivores se sont avérés négligeables.Concernant les saules et les peupliers dédiés à la production d’énergie, de fortes concentrations en Cd et en Zn ont été mesurées dans les feuilles quels que soient les amendements. Ces feuilles peuvent représenter un risque pour les herbivores. Contrairement aux peupliers très tolérants aux conditions du milieu, une réduction de la croissance et du taux de survie des saules a été mesurée sur les parcelles amendées et non amendées en présence de D. cespitosa, liée à une forte compétition souterraine avec D. cespitosa. L’utilisation de tests écotoxicologiques a permis d’identifier d’autres facteurs dont la phytotoxicité du sol. Par ailleurs, aucun effet des amendements biologiques et chimiques n’a été observé sur la mobilité et la spéciation des EPT après 4 ou 5 années de phytomanagement. Leur effet sur le transfert des EPT était très variable en fonction des espèces, des niveaux de pollution et du temps. L’étude des communautés microbiennes dans les racines ligneuses a révélé un impact de la végétation herbacée et de la pollution mais aucun effet lié aux amendements n’a été observé. / Phytomanagement is an emerging approach that includes plant biomass valorization for the management of polluted soils and sites. To evaluate the long-term performance of this strategy at field scale, two phytomanaged sites of 1 ha each (sites A and B) were implanted in Fresnes-sur-Escaut (Hauts-de-France) in 2011/2012 at a dredged-sediment disposal site contaminated with potentially toxic elements or PTE (Cd, Cu, Pb et Zn). The thesis work is based on the study of the two sites with the following objectives: (1) study the dynamics of selected plants (Deschampsia cespitosa, Skado and I-214 poplars, Tordis and Inger willows), colonizing plants and invaders, (2) study the efficiency of amendments (mycorrhizal fungi inoculum, basic mineral amendment) on sediment PTE mobility, on aerial plant parts PTE accumulation and on the microbial diversity in soils and tree roots.The efficiency of the grass D. cespitosa for phytomanagement at the site B has been highlighted. The plant was tolerant to the site conditions, had low concentrations of Cd, Cu and Pb in shoots and formed a dense and perennial plant cover. At the site A, the herbaceous plant cover formed by plant colonists was heterogenous with a dominance of the species Urtica dioïca.In amended and non-amended plots, U. dioïca showed higher concentrations of Cd, Cu, Pb and Zn than the same plants from uncontaminated soils. According to risk calculations based on Cd and Zn concentrations, there was no risk related to the ingestion of these herbaceous plants by herbivorous animals. Concerning poplars and willows dedicated to energy production, high Cd and Zn concentrations were found in their leaves regardless of the amendments. These leaves may pose a risk for herbivorous animals. Unlike poplars which were very tolerant to the site conditions, willows showed a reduction of growth and survival rate in the amended and non-amended plots sown with D. cespitosa, because of belowground competition with D. cespitosa. Ecotoxicological tests revealed that soil phytotoxicity was also responsible of the willow growth reduction. Besides, the biological and chemical amendments had no significant effect on PTE mobility and speciation in soils after 4 or 5 years of phytomanagement. Their effects on PTE transfers in plants varied depending on the species, levels of pollution and time. The study of microbial communities in tree roots revealed that the herbaceous cover and soil pollution had a significant impact on microbial composition whereas the amendments did not affect the microbial communities.

Le curage des sédiments des cours d'eau est nécessaire pour limiter les risques d'inondations et permettre la navigation fluviale. A cause des activités humaines, les sédiments de curage sont souvent contaminés en métaux, ce qui rend leur gestion problématique. Dans ce contexte,la phytostabilisation, une technique de traitement consistant à utiliser des plantes et des amendements minéraux pour réduire la mobilité des métaux dans des matrices solides contaminées, a été testée sur un sédiment de curage prélevé à proximité d'une fonderie de zinc et contaminé principalement par cet élément. Les plantes (Agrostis tenuis et Festuca rubra) ont été cultivées en serre, dans des mésocosmes d'environ 40 kg, qui contenaient l'un des trois substrats suivants : sédiment, sédiment + hydroxylapatite et sédiment + amendement sidérurgique ; des mésocosmes témoins non-végétalisés ont été placés dans les mêmes conditions. L'objectif principal de ce travail était de caractériser l'évolution de la spéciation du zinc induite par deux ans de phytostabilisation. Dans un premier temps, les associations géochimiques du zinc dans les différents milieux ont été observées sur des lames minces à l'échelle du micromètre grâce à l'utilisation combinée de techniques de micro-analyse (MEB-EDS, μXSRF). La spéciation du zinc dans chacune de ces associations a ensuite été déterminée par spectroscopie EXAFS résolue latéralement (μEXAFS). Le traitement des spectres μEXAFS par analyse en composantes principales (ACP) a permis l'identification de la sphalérite (ZnS), de la gahnite (ZnAl2O4) et de la franklinite (ZnFe2O4), qui sont des minéraux primaires certainement d'origine anthropique, et de la ferrihydrite (oxyhydroxyde de fer mal cristallisé) zincifère, d'une association zinc-phosphate, d'un phyllosilicate zincifère et de l'hydrotalcite (oxyhydroxyde d'aluminium) zincifère. Dans un second temps, les espèces zincifères ainsi identifiées ont été quantifiées à l'échelle macroscopique par spectroscopie EXAFS sur poudre. Les spectres EXAFS ainsi obtenus ont été simulés par combinaisons linéaires des spectres EXAFS des espèces zincifères précédemment identifiées, ce qui a permis d'évaluer l'effet du traitement sur la spéciation moyenne du zinc. En deux ans, elle a évolué de façon significative dans les mésocosmes amendés non-végétalisés, puisque l'on observe une diminution de la proportion de ZnS, la phase zincifère initialement majoritaire dans le sédiment, et la néoformation d'un phosphate de zinc. L'évolution de la spéciation du zinc est spectaculaire dans les mésocosmes végétalisés (amendés ou non), puisque dans ce cas, ZnS a été totalement oxydée et d'autres phases zincifères, telles qu'un phosphate de zinc et un phyllosilicate zincifère et / ou de l'hydrotalcite zincifère, se sont formées. La gahnite et la franklinite n'ont été observées qu'à l'échelle microscopique et sont donc des phases minoritaires. L'étude de la surface des racines des plantes par MEB-EDS, μSXRF et μEXAFS a permis de mettre en évidence la présence de précipités d'oxydes de manganèse (birnessite) riches en zinc, et parfois en plomb et en cuivre. Cette espèce chimique a été observée uniquement à la surface des racines et représente probablement une contribution minoritaire au processus global de l'immobilisation du zinc. Au bout de deux années, la phytostabilisation a permis la formation de phases zincifères plus stables que ZnS dans les conditions atmosphériques d'un dépôt de surface, indiquant que le zinc présent dans le sédiment phytostabilisé est potentiellement moins mobile que dans le sédiment seul. Ainsi, dans notre cas, la phytostabilisation limiterait donc la dispersion du zinc dans l'environnement.

La phytostabilisation est une méthode de gestion de sites pollués par des éléments traces métalliques (ETM) grâce à une approche verte. Les champignons mycorhiziens, associés aux racines, peuvent contribuer au potentiel de phytostabilisation des arbres en réduisant notamment le transfert des ETM vers les parties aériennes. Dans le cadre du projet BIOFILTREE, plusieurs approches sont mises en oeuvre afin de sélectionner des espèces fongiques performantes en phytostabilisation. Tout d'abord, afin de cibler des espèces d'intérêt, les communautés fongiques associées aux racines de divers clones de peupliers sur un site pollué sont analysées. Tous les peupliers sont colonisés par des champignons ecto-, endomycorhiziens et endophytes. Cependant, des spécificités d'hôtes sont observées parmi ces communautés, avec notamment un champignon majoritaire du genre Hebeloma qui ne s'associe pas avec tous les génotypes. Ensuite, plusieurs campagnes de prélèvements de champignons sur divers sites pollués ont permis d'isoler des souches particulièrement tolérantes aux ETM. De très fortes variations intra- et interspécifiques sont observées lors de ces tests. En parallèle, des approches ciblées de caractérisation fonctionnelle de gènes impliqués dans l'homéostasie au zinc sont mises en oeuvre chez Laccaria bicolor, un champignon ectomycorhizien modèle. L'homéostasie aux ETM est liée entre autres à l'activité des transporteurs des familles ZIP (Zrt-, Irt- related Protein) et CDF (Cation Diffusion Facilitator). L'étude des membres de ces deux familles a permis d'affiner la compréhension des mécanismes d'absorption et de séquestration des ETM dans les hyphes des champignons ectomycorhiziens / Phytostabilization is a gentle management option for sites polluted by trace elements (TE). Mycorrhizal fungi could assist plants in stabilizing pollutants by increasing the soil-prospected volume and by immobilizing MTE in their hyphae. Within the BIOFILTREE project, several approaches were used to select fungal strains that could be used for enhancing the phytostabilization process. Firstly, the mycorrhizal status of roots of three poplar clones from a TE-polluted site and the fungi associated with the roots were analyzed. The roots were colonized by endomycorrhizal, ectomycorrhizal, and endophytic fungi. Our data also revealed some specific trends, i.e. Hebeloma species was not associated with all poplar genotypes. Secondly, several fungal strains were isolated from polluted sites and their in vitro tolerance to TE was tested. There was a strong inter- and intra-specific variation in metal tolerance. In a greenhouse study, two poplar clones were inoculated with an endomycorrhizal inoculum and grown on a TE-polluted soil. A slight modification in TE accumulation in shoots was observed. In parallel, the role of ZIP (Zrt-Irt- like Proteins) and CDF (Cation Diffusion Facilitator) proteins in TE homeostasis/tolerance was also studied in the ectomycorrhizal model fungus Laccaria bicolor. The corresponding proteins were functionally characterized by the use of different approaches (yeast complementation, GFP-chimeric proteins, transcript analyses, cell metal content analyses). This study allowed us to better understand the mechanisms underlying zinc uptake and compartmentation in the hyphae of this fungus