La présence du plomb (Pb) sous forme mobile ou en quantité importante dans les sols est indésirable car le Pb est biologiquement toxique dans l'environnement. La stabilisation ou la réduction de la quantité du Pb total dans les sols calcaires riches en éléments traces métalliques (ÉTM) peuvent être réalisées par les procédés de phyto-stabilisation ou de phyto-extraction induite, respectivement. Un essai cultural a été mené en serre pour examiner l'effet de l'ajout de soufre élémentaire (S0) combiné à la fumure minérale (N-PK) suivi de l'ajout de fortes doses d'acide sulfurique (H2SO4) sur les paramètres de croissance de la plante ainsi que sur les fractions chimiques du Pb dans le sol et l'accumulation du Pb dans les organes du saule (Salix miyabeana) cultivé dans des échantillons d'un sol (pH moyen 7,55) riche en ÉTM, développé sur roche-mère calcaire. Les résultats indiquent qu'en conditions non acides (neutres à alcalins), le saule accumule des concentrations traces de Pb (<1 mg/kg m.s., en deçà de la limite de détection) dans les feuilles. Néanmoins, une proportion du Pb présent dans le sol calcaire peut être mobilisée par les racines de la plante, particulièrement sous des conditions acides. Le Pb s'accumule en plus grande quantité dans les racines que dans les autres parties de la plante et ce, peu importe la nature des traitements du sol. Le pH du sol joue un rôle important dans le prélèvement et l'accumulation du Pb dans les parties du saule. Toutefois, une valeur du pH inférieure à 5,5 a tendance à produire un excès de prélèvement de Pb et provoque une inhibition de la croissance des feuilles ou une baisse considérable des rendements en feuilles. Ceci est à prendre en considération lorsque l'on tente d'abaisser la valeur du pH du sol calcaire riche en ÉTM en dessous de 6,5, en vue de favoriser le transfert sol-plante du Pb. / The presence of large amounts or mobile fraction of lead (Pb) in soils is undesirable because Pb is highly toxic even in minor quantity in the environment. The remediation of Pb in calcareous soils with high amount of metallic trace metals (MTE) can be achieved by phytostabilization or induced phytoextraction processes. For this purpose, a greenhouse study was carried out to determine the effects of elemental sulfur (S0) and mineral fertilizers (N-P-K) followed by the addition of high amounts of sulfuric acid (H2SO4) to cultivated soils on the soil chemical fractions of Pb, growth parameters and uptake and accumulation of Pb in willow (Salix miyabeana) grown in a calcareous soil (mean pH 7.55) rich in MTE. The results indicate that in near neutral and weak alkaline conditions, willow accumulates very small amount of Pb (<1 mg / kg d.w, below the detection limit) in the leaves. Nevertheless, some proportion of soil Pb can be mobilized by plant roots, particularly under acidic conditions. Willow accumulates more Pb in the roots than in other plant parts, regardless of the nature of soil treatments. Soil pH plays an important role in the uptake and accumulation of Pb in willow parts. However, a pH value less than 5.5 tends to produce an excess of Pb removal and causes inhibition of leaf growth or a considerable reduction in leaf yield. This is to be considered when attempting to reduce the pH value of a calcareous soil rich in MTE to less than 6.5, in order to enhance the soil-plant transfer of Pb.

Le but de cette étude est de mettre en oeuvre une nouvelle méthode de prétraitement de la biomasse afin d’isoler les métabolites secondaires qui peuvent inhiber la fermentation des glucides pour la production d’éthanol cellulosique. Avec la tendance grandissante vers la production de cultures énergétiques, potentiels intrants pour d’éventuelles bioraffineries, il importe de vérifier la composition et le potentiel des extractibles provenant de ces plantes. Les processus d’extraction actuels s’opèrent en discontinu, par alternance de grandes quantités de solvants organiques puis aqueux, et nécessitent des temps d’opération longs et beaucoup d’énergie. À cet effet, une nouvelle procédure d’extraction utilisant comme matières premières une culture végétale à croissance rapide appartenant à l’espèce Salix, a été mise en oeuvre. La technique choisie emploie un solvant sous forme d’émulsion composé d’eau et de carbonate de diméthyle avec des proportions volumiques (82,5 – 17,5%), diminuant ainsi la consommation de solvant et permettant de produire un procédé d’extraction en continu. Le mélange hétérogène, biomasse et émulsion, exposé aux ultrasons a permis la réduction du temps d’extraction mais aussi l’énergie consommée de 6 fois, tout en augmentant le rendement d’extraction de 25 % et en préservant les composés thermolabiles

Dans la dernière décennie, plusieurs hectares de terre agricole ont été convertis à la culture intensive sur courtes rotations (CICR) de saules dans le sud du Québec (Canada). Peu d’études ont été réalisées afin de déterminer comment se comporte la dynamique du carbone organique (Corg) dans le sol suivant cette conversion. Nous avons donc comparé la quantité du Corg et de deux pools labiles de carbone (carbone extractible à l’eau chaude et les sucres aminés) entre des CICR en phase initiale d’établissement (1-2 ans) et des parcelles appariées représentant le système de culture qui prévalait avant la transformation en culture de saules (culture fourragère) et d’autres cultures d’intérêt. La même chose a été faite pour une CICR en exploitation (depuis 9 ans) à un autre site. La quantité de Corg du sol n’était pas différente entre les CICR et les parcelles sous culture fourragère. Une plus haute concentration de sucres aminés dans le Corg total des CICR en établissement, par rapport aux autres parcelles sur le même site, permet de soupçonner que les perturbations liées à l’établissement ne mènent pas à une minéralisation accrue du Corg à court terme. La proportion de sucres aminés fongiques, qui diminue théoriquement lors de perturbations, était aussi plus élevée sous la plus jeune culture. Sous la CICR de neuf ans, le Corg était redistribué dans le profil vertical et les pools labiles étaient de plus petite taille (à une profondeur de 20-40 cm) comparativement à une parcelle témoin. La conversion d’une culture fourragère en plantation de saules en CICR n’a pas mené à la formation d’un puits de carbone. L’étude laisse entrevoir qu’un tel puits pourrait être créé si la conversion se faisait à partir d’un aménagement impliquant la culture en rotation de plantes annuelles et des labours. / Over the last ten years, many hectares of short-rotation willow coppice (SRWC) have been established on abandoned agricultural lands in southern Quebec (Canada). However, few studies were conducted to determine if these changes from a conventional crop to SRWC of willows would affect the soil carbon dynamic. A preliminary paired-site study was conducted to assess the impact of this land-use conversion on soil carbon stocks and dynamics shortly after they were established (1-year and 2-year) at one site and after multiple rotations (9-year) at another site. Apart from the total soil organic carbon pool, two labile carbon pools were investigated: the hot-water extractable carbon (HWC) pool and the amino sugars (AS) pool. Willow establishment and exploitation for nine years did not bring any changes in total organic carbon compared to an abandoned hay culture. The mature SRWC displayed a redistribution of TSOC in the vertical soil profile. We also measured a higher proportion of AS, compared to other plots on the same site, in total organic carbon under the 1-year-old SRWC; especially the proportion in AS of fungi origin that theorically decrease with perturbation intensity. Proportion of AS was also elevated under 2-year-old SRWC. A possible interpretation is that establishment-linked perturbations did not shift carbon dynamic toward an increased mineralization. The mature willow plantation exhibited depletion of HWC and the more labile amino sugar (muramic acid) in the deeper soil layer (20-40cm). This case study shows that conversion from an abandoned hay culture to a SRWC did not create a carbon sink. It was also found that the 9- year old willow plantation contained higher TSOC and had better soil quality than an adjacent short-term no-till crop rotation culture.

Dans la dernière décennie, plusieurs hectares de terre agricole ont été convertis à la culture intensive sur courtes rotations (CICR) de saules dans le sud du Québec (Canada). Peu d’études ont été réalisées afin de déterminer comment se comporte la dynamique du carbone organique (Corg) dans le sol suivant cette conversion. Nous avons donc comparé la quantité du Corg et de deux pools labiles de carbone (carbone extractible à l’eau chaude et les sucres aminés) entre des CICR en phase initiale d’établissement (1-2 ans) et des parcelles appariées représentant le système de culture qui prévalait avant la transformation en culture de saules (culture fourragère) et d’autres cultures d’intérêt. La même chose a été faite pour une CICR en exploitation (depuis 9 ans) à un autre site. La quantité de Corg du sol n’était pas différente entre les CICR et les parcelles sous culture fourragère. Une plus haute concentration de sucres aminés dans le Corg total des CICR en établissement, par rapport aux autres parcelles sur le même site, permet de soupçonner que les perturbations liées à l’établissement ne mènent pas à une minéralisation accrue du Corg à court terme. La proportion de sucres aminés fongiques, qui diminue théoriquement lors de perturbations, était aussi plus élevée sous la plus jeune culture. Sous la CICR de neuf ans, le Corg était redistribué dans le profil vertical et les pools labiles étaient de plus petite taille (à une profondeur de 20-40 cm) comparativement à une parcelle témoin. La conversion d’une culture fourragère en plantation de saules en CICR n’a pas mené à la formation d’un puits de carbone. L’étude laisse entrevoir qu’un tel puits pourrait être créé si la conversion se faisait à partir d’un aménagement impliquant la culture en rotation de plantes annuelles et des labours. / Over the last ten years, many hectares of short-rotation willow coppice (SRWC) have been established on abandoned agricultural lands in southern Quebec (Canada). However, few studies were conducted to determine if these changes from a conventional crop to SRWC of willows would affect the soil carbon dynamic. A preliminary paired-site study was conducted to assess the impact of this land-use conversion on soil carbon stocks and dynamics shortly after they were established (1-year and 2-year) at one site and after multiple rotations (9-year) at another site. Apart from the total soil organic carbon pool, two labile carbon pools were investigated: the hot-water extractable carbon (HWC) pool and the amino sugars (AS) pool. Willow establishment and exploitation for nine years did not bring any changes in total organic carbon compared to an abandoned hay culture. The mature SRWC displayed a redistribution of TSOC in the vertical soil profile. We also measured a higher proportion of AS, compared to other plots on the same site, in total organic carbon under the 1-year-old SRWC; especially the proportion in AS of fungi origin that theorically decrease with perturbation intensity. Proportion of AS was also elevated under 2-year-old SRWC. A possible interpretation is that establishment-linked perturbations did not shift carbon dynamic toward an increased mineralization. The mature willow plantation exhibited depletion of HWC and the more labile amino sugar (muramic acid) in the deeper soil layer (20-40cm). This case study shows that conversion from an abandoned hay culture to a SRWC did not create a carbon sink. It was also found that the 9- year old willow plantation contained higher TSOC and had better soil quality than an adjacent short-term no-till crop rotation culture.

L’objectif général de l’étude est de valoriser deux sites de tourbières résiduelles situés à Lamèque et à La Mousse Acadienne (Nouveau-Brunswick, Canada) pour la production de deux plantes à valeur énergétique, le saule (Salix miyabeana) et l’alpiste roseau (Phalaris arundinacea). Cette réhabilitation est nommée «phyto-aménagement». Par ailleurs, dans un contexte de changements climatiques et d’épuisement des énergies fossiles, le phytoaménagement à base de plantes bioénergétiques présente un intérêt avec l'utilisation de la biomasse agroforestière comme combustible à moindre émission dans les chaudières à biomasse. Les résultats des essais menés en serre sur le sol de la tourbière résiduelle du site Sun Gro indiquent que les doses croissantes de chaux calcique en présence d’une dose d’engrais NPK, ainsi que les doses croissantes d’engrais en présence d’une dose de chaux dolomitique ont un effet significatif sur les paramètres de croissance et de rendements du saule, certaines propriétés édaphiques dont le pH, et les teneurs des métaux Cu, Fe, Mn et Zn sous formes facilement labiles et moyennement labiles dans le sol. Une fraction importante de Cu est liée à la matière organique du sol. Les métaux Fe, Mn et Zn se retrouvent majoritairement fixés par les oxydes du sol. Les essais à petite échelle de saule et d’alpiste roseau cultivés dans les tourbières résiduelles du site La Mousse Acadienne indiquent que ces deux plantes répondent bien à la fertilisation minérale en présence de la chaux dolomitique. En favorisant le développement de la plante, l’apport de l’engrais (NPK) favorise la production de biomasses aériennes ainsi que le prélèvement des cations nutritifs. Les parcelles de saules fertilisées ont fourni un rendement maximum de 6161,6 kg/ha en 16 mois de croissance au moment où les parcelles non fertilisées ont assuré un rendement maximum de 437,0 kg/ha. D’une manière générale, les concentrations des métaux Ca, Mg et Mn sont retrouvées majoritairement dans les parties aériennes des plantes tandis que celles des métaux Al, Cd, Cu, Fe, et Zn sont plus élevées dans les racines. Les concentrations des éléments traces métalliques dans les parties aériennes des plantes sont en deçà des valeurs seuils de toxicité. Les résultats révèlent que le pH du sol est une propriété chimique clé à considérer lors du phyto-aménagement des tourbières résiduelles acides. / The mechanical exploitation of the natural peat bogs produces media called "residual peat bogs" among which the physico-chemical properties, naturally constraining, are degraded. The objective of this study was to evaluate the potential productivity of two energy crops, willow (Salix miyabeana) and the reed canary grass (Phalaris arundinacea), on residual peat bogs situated at Lamèque in New Brunswick (Canada). This type of rehabilitation is named "phyto-management". Moreover, in the climate change context and the depletion of fossil fuels, bioenergy-based phytomanagement is of interest with the use of agroforestry biomass as a lower emission fuel in biomass boilers. The results of glasshouse study conducted on RPB from the site Sun Gro indicated that N-P-K fertilizer and calcitic or dolomitic lime applications have a significant effect on growth and yield parameters of willow as well as on certain edaphic properties such as pH and the content of metallic trace elements (Cu, Fe, Mn, Zn) in the labile and moderately labile fractions. Organic matter matrix is an important binding site for Cu whereas oxide matrix for Fe, Mn and Zn. The small-scale field trials conducted at the Mousse Cannadienne site highlighted that willow and reed canary grass can be grown in the residual peat bogs amended with dolomitic lime and fertlized with complete fertlizer. Fertilizer containing the chemical elements improves growth, uptake of cationic nutrients and productiveness of plants. The fertilized and limed willow plots produced a maximum yield up to 6161.6 kg / ha in 16 months of growth. The limed plots without fertilizer produced 437,0 kg shoot biomass of willow / ha. Generally, the highest concentration of Ca, Mg and Mn is mainly found in the aerial parts of plants whereas those of Al, Cd, Cu, Fe, and Zn are highest in roots. The concentrations of metallic trace elements in shoot plant biomass are below thresholds values of toxicity. The results reveal that the soil pH is a key chemical property to be considered during the phyto-management of acid residual peat bogs.

Les sols représentent une ressource non renouvelable qui soutient 95% de la production alimentaire mondiale. Cependant, les sols sont de plus en plus impactés par la pollution chimique anthropique, menaçant la santé humaine et l’environnement. Parmi les polluants les plus répandus dans les sols, l'arsenic est aussi l’un des plus dommageables pour la santé humaine, touchant près de 200 millions de personnes dans le monde. Pour limiter la contamination des sols, les approches conventionnelles de remédiation reposent principalement sur l'excavation et l'enfouissement des sols contaminés, mais sont incompatibles avec les grandes surfaces concernées par la contamination chimique, pouvant s’étendre sur des millions d’hectares. Une solution novatrice utilise les plantes et les microorganismes associés pour extraire, dégrader ou stabiliser les contaminants in situ dans une approche dite de phytoremédiation. L'exsudation d'une grande diversité de métabolites des racines dans le sol environnant serait un mécanisme essentiel qui permet aux plantes de tolérer et de détoxifier les contaminants du sol. Cependant, l’environnement chimique de la rhizosphère et les interactions complexes entre les exsudats racinaires et les contaminants restent largement inconnus. L'objectif de cette thèse est de faire progresser la compréhension de l'exsudation racinaire en réponse à la contamination et de son impact sur le devenir de l'arsenic dans la rhizosphère. Le Chapitre 1 rapporte un nouveau système de croissance à petite échelle, hautement reproductible, développé pour capturer et caractériser les exsudats racinaires. En utilisant une analyse métabolomique non ciblée basée sur la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse, l’espèce légumineuse Lupinus albus a été examinée pour identifier les différences significatives dans l’exsudation d’un large spectre de composés dans la rhizosphère. Cette approche a révélé les classes prédominantes de composés exsudés et leurs variations en réponse à la contamination, notamment les coumarines, connues pour être impliquées dans les stratégies d'acquisition de nutriments chez les plantes, ainsi que l'exsudation inattendue de phytochélatines, connues pour participer à la complexation et à la détoxification intracellulaire de l'arsenic. Pour confirmer l'exsudation des phytochélatines, une expérience supplémentaire a été menée et a permis de valider l'exsudation des phytochélatines comme mécanisme potentiel de tolérance à l'arsenic dans la rhizosphère. Le Chapitre 2 examine plus en détail les mécanismes d'exsudation des phytochélatines et leurs interactions avec l'arsenic chez Lupinus albus. Grâce à l'inhibition chimique des principales voies de synthèse et d'exsudation des phytochélatines, ce chapitre fournit les premières observations de l’exsudation active de complexes arsenic-phytochélatine chez les plantes, pouvant jouer un rôle critique dans la détoxification de l'arsenic. À partir de ces observations, le chapitre 2 propose une révision du modèle actuel d'efflux d'arsénite des racines et met en évidence l'exsudation de complexes arsenic-phytochélatine comme mécanisme jusque-là inconnu de détoxification chez les plantes. Dans le Chapitre 3, les différentes stratégies employées en réponse à la contamination à l'arsenic chez Lupinus albus et Salix miyabeana sont explorées en profondeur par différents essais en pots et à plus grande échelle, directement sur le terrain. Ces deux espèces, illustrant différents traits fonctionnels importants pour la phytoremédiation, révèlent des adaptations distinctes ainsi que des stratégies d’exsudation conservées en réponse à l'arsenic. Les résultats présentés dans ce chapitre révèlent en particulier le rôle central de l'exsudation de phytochélatines dans la rhizosphère de ces deux espèces, pourtant éloignées phylogénétiquement. Notamment, la découverte de complexes phytochélatine-arsenic dans la rhizosphère des deux espèces souligne l'importance des mécanismes extracellulaires dans la détoxification de l'arsenic chez les plantes. De plus, les mesures sur le terrain soutiennent les implications de l'exsudation des phytochélatines en tant qu’adaptation à l'exposition à l'arsenic en conditions réelles. En résumé, ce chapitre fournit de nouvelles perspectives sur l'interaction complexe entre les plantes et les sols lors de la phytoremédiation de l'arsenic. Dans l'ensemble, cette thèse présente de nouvelles stratégies d'exsudation chez deux espèces phytoremédiatrices majeures et apporte de nouvelles connaissances sur la façon dont l'investissement de ressources dans la rhizosphère peut aider les plantes à tolérer, voire à surmonter, l'effet de la pollution anthropique sur l'environnement. Comprendre ces interactions naturelles est essentiel pour aider à concevoir des stratégies de gestion durables des terres, visant à réduire l'impact à long terme des activités humaines sur les sols. / Soils represent a non-renewable resource supporting 95% of global food production. However, soils face increasing threats from anthropogenic chemical pollution, creating an environmental burden impacting human and environmental health worldwide. Arsenic is one of the most widespread soil contaminants, thought to affect over 200 million people globally and posing substantial threats to public health. To limit contamination of soils, conventional remediation approaches rely on soil excavation and burial, but are incompatible with the extensive problem of soil contamination, often impacting millions of hectares. An innovative solution is to use phytoremediation to harness plants' natural abilities to extract or degrade soil contaminants. The exudation of a wide diversity of metabolites from roots into the surrounding soil is thought to be an essential mechanism used by plants to modify challenging soil environments. However, the extent and variation of root exudation remains largely uncharacterised for many important crops. The objective of this thesis is to advance the understanding of root exudation in response to contamination and how it impacts the fate of arsenic in the rhizosphere. Chapter 1 reports a novel small-scale but highly reproducible growth system developed to capture and characterise root exudates. Using untargeted liquid chromatography-tandem mass spectrometry-based metabolomic analysis, the leguminous crop white lupin (Lupinus albus) was scrutinised to identify significant differences in exuded compounds within the rhizosphere. This approach revealed the predominant classes of exuded compounds in response to contamination, including coumarins, known to be involved in plant nutrient acquisition strategies, as well as unexpected phytochelatin exudation, known to participate in intracellular arsenic complexation and detoxification. A validatory experiment was conducted and confirmed the exudation of phytochelatins as a potential arsenic tolerance mechanism for rhizosphere detoxification. Chapter 2 further investigates the mechanisms of phytochelatin exudation and their interactions with arsenic in Lupinus albus. Through chemical inhibition of key root exudates synthesis and exudation mechanisms, this chapter provides the first evidence that plants actively exude arsenic-phytochelatin complexes, which may function as a critical step for arsenic detoxification and tolerance. From this evidence, Chapter 2 provides a tentative revision of the current model of arsenite efflux from roots and demonstrates that arsenic-phytochelatin exudation may be an active mechanism conferring arsenic tolerance. In Chapter 3, the different strategies employed in response to arsenic contamination in Lupinus albus and Salix miyabeana were extensively scrutinised in larger-scale pot and field trials, to capture the diversity of rhizosphere metabolites within constructed and real-world soils. These species, illustrating different important functional traits for phytoremediation, revealed distinct as well as more conserved root exudate adaptations to arsenic. Most importantly, the findings presented in this chapter reveal a conserved and pivotal role for extracellular phytochelatin exudation in the rhizosphere of these distantly related phytoremediating species. The discovery of phytochelatin-arsenic complexes in the rhizosphere of both species underscores the importance of extracellular mechanisms in plant arsenic detoxification. Furthermore, field assessments supported the real-world implications of phytochelatin exudation as an adaptive response to arsenic exposure. In summary, this chapter provides novel insights into the complex interplay between plants and soils in arsenic phytoremediation. Overall, this thesis presents novel exudation strategies in two major phytoremediation species and brings new knowledge on how investment of resources in the rhizosphere can help plants tolerate, or even overcome, the effect of anthropogenic pollution upon the natural environment. Understanding these mechanisms is vital to devise sustainable land management strategies to reduce the long-term impact of human activity on soils around the world.

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