Les plantes hyperaccumulatrices peuvent accumuler des concentrations extraordinaires de métaux dans leurs parties aériennes (e.g. Ni, Zn et Cd). Cette thèse a été entreprise afin d’élucider : 1) comment le Ni est absorbé par les racines des hyperaccumulateurs, et 2) comment il circule dans les différents organes via le xylème et le phloème. Les travaux ont utilisé des cultures hydroponiques avec l’hyperaccumulateur de Ni et Zn Noccaea caerulescens en présence de concentrations faibles et élevées de Ni et Zn et en interaction avec Fe et Co ; des analyses isotopiques et d’expression de gènes ont été conduites. Les résultats ont montré que l’hyperaccumulateur N. caerulescens possède un système de transport du Ni à faible affinité et à haute efficacité. L’absorption du Ni semble impliquer principalement les transporteurs de Zn et Fe. Le transport par le xylème est la principale voie d'accumulation du Ni dans les jeunes feuilles et les feuilles âgées. Mais la translocation par le phloème est aussi une source importante de Ni pour les jeunes feuilles. Dans le phloème, le Ni est principalement chélaté par des acides organiques, de type malate. La thèse ouvre des perspectives pour l’optimisation des procédés de phytoextraction et d’agromine des sols contaminés. / Hyperaccumulating plants are capable of accumulating extraordinary concentrations of heavy metals, e.g. Ni, Zn and Cd, in their shoots. This thesis was conducted to assess: 1) how roots of hyperaccumulators absorb Ni, and 2) how Ni circulates in different organs via xylem and phloem. Methods used were hydroponic cultures with the Ni/Zn hyperaccumulator Noccaea caerulescens in the presence of low and high Ni and Zn solutions, and in competition with Fe, Co, and Rb and Sr. Isotope fractionation in the plant, and gene expression of the Zn transporter ZIP10 and the Fe transporter IRT1 were studied. Results showed that the hyperaccumulator N. caerulescens takes up Ni mainly via low-affinity transport system, which seemed to be Zn and Fe transporters. Xylem transport is the main source for Ni accumulation in both young and old leaves, while phloem translocation also acts as an important source for young leaves. Ni is enriched in phloem sap and mainly chelated by organic acids especially malate during phloem translocation.

Les biochars sont au cœur de la lutte contre les changements globaux. Ils constituent aussi un enjeu pour la gestion durable des sols contaminés. Ces travaux ont été conduits afin de mieux comprendre les effets du biochar sur la mobilité des métaux dans les sols et leur transfert vers les plantes. Une série d’expériences de complexité croissante ont été conduites, impliquant un biochar obtenu par pyrolyse de bois à 450 °C, et deux sols, l’un acide et l’autre alcalin, contaminés par Cd, Pb et Zn suite à l'activité d'une fonderie. Une gamme d’espèces végétales aux réponses contrastées vis-à-vis des métaux a été testée. Des essais de sorption en batch et de lixiviation en colonnes couplés à une caractérisation microscopique et spectroscopique du biochar ont été réalisés, ainsi que des expériences de croissance végétale en vases de végétation, en rhizotrons et en lysimètres. Les résultats démontrent que les phases minérales carbonatées du biochar jouent un rôle prépondérant dans l'immobilisation des métaux. Elles interviennent dans la sorption directe des métaux à la surface du biochar par co-précipitation. Leur dissolution contribue également à l'augmentation du pH du sol, conduisant à une rétention accrue des métaux à la surface des particules du sol. Le biochar modifie le transfert des métaux vers la plante en diminuant la disponibilité des métaux, mais également en diminuant la mobilité de cations majeurs et en modifiant la surface racinaire développée par la plante. Une diminution du transfert du métal vers les parties aériennes de la plante a généralement été observée avec Lolium perenne ou Zea mays, alors qu'une augmentation du prélèvement de Cd et Zn par l'hyperaccumulateur Noccaea caerulescens a été mise en évidence. En conclusion, le biochar contrôle la mobilité des métaux dans les systèmes sol-plante grâce à une série de mécanismes différents. Au plan pratique, le biochar favorise les stratégies de phytostabilisation et de phytoextraction des métaux dans les sols contaminés / Biochars play a central part in the mitigation of global changes. They also represent a challenge for the sustainable management of contaminated soils. This work was conducted in order to better understand the effects of biochar on the mobility of metals in soils and their uptake by plants. A range of experiments was set up following a gradual increase of complexity, with a wood-derived biochar obtained by pyrolysis at 450 °C and two soils, acidic or alkaline, contaminated by Cd, Pb and Zn from smelter activity. Various plant species with contrasting response to metals were tested. Batch sorption and column leaching experiments coupled to microscopic and spectroscopic characterization of biochars were conducted, together with plant growth experiment in pots, rhizoboxes and lysimeters. Results demonstrate that biochar's carbonated mineral phases play a dominant role in the immobilization of metals. They lead to metals direct sorption on the surface of biochar by co-precipitation. Their dissolution also contributes to the increase of soil pH, leading to an increased retention of metals on soil particles. Biochar alters the transfer of metals to the plants by decreasing the availability of metals, but also by decreasing the mobility of major cations and by modifying root surface. A decrease of metal transfer to the shoots was generally observed with Lolium perenne or Zea mays, while an increase of the uptake of Cd and Zn by the hyperaccumulator Noccaea caerulescens was evidenced. In conclusion, biochar controls the mobility of metals in soil-plant systems through a range of different mechanisms. From a practical point of view, biochar promotes both strategies of phytostabilization and phytoextraction of metals in contaminated soils

L'utilisation des plantes pour décontaminer les sols pollués par les métaux est une solution respectueuse de l'environnement. Mais le développement de cette technique à grande échelle est encore limité en raison de l'indisponibilité de plantes avec les caractéristiques souhaitées (hyperaccumulation, biomasse élevée et croissance rapide). Les objectifs de ce travail étaient d'évaluer le potentiel de plusieurs cultivars de Pélargonium odorants pour l'extraction du Pb au champ, étudier la disponibilité du plomb en relation avec l'activité rhizosphérique et développer un protocole de transformation génétique. Parmi les six cultivars de Pélargonium odorants testés au champ, trois : Attar of Roses, Clorinda et Atomic Snowflake ont accumulé plus de 1000 mg kg-1 Pb, avec une forte biomasse. Pendant les expérimentations en conditions contrôlées, Attar of roses (le cultivar hyperaccumulateur) acidifie sa rhizosphère et augmente la concentration en COD significativement plus par rapport Concolor Lace (le cultivar non hyperaccumulateur), sans doute en réponse à la pollution métallique. Les concentrations en plomb dans les deux cultivars sont corrélées avec l'extraction au CaCl2. Les analyses par EXAFS et ESEM-EDS ont montré que le plomb présent dans les racines était principalement sous forme de complexes organiques alors que les sulfates de plomb prédominent dans le sol. Parallèlement à ces essais, un protocole de transformation génétique a été mis au point en vue de mieux comprendre les processus biochimiques impliqués dans l'hyperaccumulation et la fonction des gènes, Le système de régénération optimisé se base sur la pré-culture d'explants sur un milieu contenant 10 μM TDZ + 1 mg L-1 de chacun de BAP et NAA suivie par l'enlèvement de TDZ du milieu de culture. La kanamycine et l'hygromycine se sont avérés être de bons marqueurs sélectifs pour le Pélargonium. Deux souches d'Agrobacterium, C58 et EHA105 contenant des vecteurs binaires avec des gènes marqueurs hpt et nptII ont été choisis pour des expériences de transformation. Ils ont également le gène codant uidA séquence du gène rapporteur. Après l'infection avec C58, 4 et 107 plantes enracinées sur hygromycine ont été obtenues pour Attar of Roses et Atomic Snowflake, respectivement. Parmi ces plantes enracinées, les quatre plantes d'Attar et 82 d'Atomic Snowflake ont exprimé le Gus dans les feuilles, pétioles, les tiges et les racines comme prévu avec une séquence sous contrôle du promoteur constitutif CaMV 35S. De 20 plantes qui expriment le Gus, 7 plantes se sont avérées être positives après criblage par PCR. Après infection par EHA105, 23 et 133 plantes enracinées ont été obtenues après sélection sur kanamycine, mais aucune n'a démontré d'activité GUS. Seule des expériences d'empreintes par Southern blotting permettront de corréler le nombre d'insertions et niveau de l'expression dans ces différents événements de transformation. / Metal removal from contaminated soils using plants can provide an environment friendly solution. However, its successful application on a large scale is still limited due to unavailability of plants with desired set of characteristics i.e. hyperaccumulation, high biomass and rapid growth. The objective of this work was to assess the potential of scented Pelargonium cultivars for lead (Pb) extraction under field conditions, plant induced rhizosphere changes, soil factors influencing availability of Pb and to develop an efficient genetic transformation protocol for the selected cultivars. Of the six scented Pelargonium cultivars field-tested, three cultivars (Attar of Roses, Clorinda and Atomic Snowflake) accumulated more than 1000 mg Pb kg-1 DW, with high biomass reaching up to 45 tons ha-1 y-1 dry matter. During assays in controlled conditions, Attar of roses (Pb hyperaccumulator) significantly acidified its rhizosphere and increased Dissolved Organic Carbon (DOC) concentration as compared to Concolor Lace (non-accumulator), probably due to enhanced exudation in response to the metal stress. Lead concentrations in both cultivars were best correlated with CaCl2 extracted Pb. Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) and Environmental Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive x-ray Spectroscopy (ESEM-EDS) demonstrated that Pb was mainly complexed to organic acids within plant tissues whereas the dominant form in soil was PbSO4. Parallel to the soil-plant Pb transfer assays, a genetic transformation protocol was optimized in view of better understanding biochemical processes involved in lead hyperaccumulation and gene function, in the future. The best regeneration scheme was based on the pre-culture of explants on 10 μM TDZ (Thidiazuron) in addition to 1 mg L-1 each of N6-benzylaminopurine (BAP) and α- naphthaleneacetic acid (NAA), followed by removal of TDZ from the culture medium. Kanamycin and hygromycin proved to be efficient selectable markers for genetic transformation. Two Agrobacterium strains, C58 and EHA105 harboring binary vectors carrying the selectable marker genes hpt and nptII were chosen for transformation experiments. They also contained the uidA gene coding sequence as reporter gene. After infecting with C58, 4 and 107 rooted plants on hygromycin-containing medium were obtained for Attar and Atomic cultivars, respectively. The four Attar plants and 82 Atomic plants expressed Gus in leaves, petioles, stems and roots as expected with a sequence driven by the 35S constitutive promoter. Polymerase Chain Reaction (PCR) screening was performed on Gus positive plants and 2 and 20 plants of Attar and Atomic were screened as PCR positive, respectively. After infection with EHA105, 23 and 133 rooted plants were obtained on kanamycin selection medium but none of these expressed Gus. Southern hybridization patterns will enable to correlate gene copy numbers to expression levels in these different events. The optimized protocols could be used for understanding molecular mechanisms of Pb accumulation and improvement in phytoextraction technique.

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