L’étude proposée s’inscrit dans un contexte de contamination croissante de la pédosphère et fait le choix d’appréhender cette problématique via une approche centrée sur la rhizospère et sur les mécanismes gouvernant son évolution. Ces travaux s'intéressent à la relation entre l’uranium – un métal naturel ubiquiste non-essentiel – et le citrate – un acide organique de faible poids moléculaire exsudé par certaines espèces végétales poussant sur un milieu pauvre en phosphore. Parmi ces espèces particulières le lupin blanc (Lupinus albus) fait office de plante modèle. Un sol naturellement riche en uranium prélevé à l’affleurement d’une veine de pechblende a été étudié. L’objectif du travail a été de savoir si l’activité racinaire est suffisante pour provoquer la remobilisation de l’uranium dans la solution du sol et favoriser son transfert. Le système sol/plante a été étudié sur rhizotest et de manière découplée en hydroponie et en réacteurs fermés. Il a été démontré que la présence d’uranium dans un milieu contrôlé (hydroponie) stimule l’exsudation de citrate chez les lupins blancs qui ne sont pas carencés en phosphore et que cette exsudation de citrate favorise la solubilisation de l’uranium dans la solution du sol en réacteurs fermés. Ces résultats ont été confirmés par les observations faites sur rhizotest même si les valeurs obtenues dans ce cas étaient plus nuancées. Ceci justifie les approches utilisées et met en évidence leur complémentarité. Les résultats obtenus ont également permis d’apporter des informations concernant la toxicité de l’uranium, son internalisation dans les cellules racinaires ainsi que sur son transfert des racines aux parties aériennes. / The present study is related to the context of pedosphere contamination increasing and chose to consider this issue through a focus on rhizosphere and mechanisms that govern its evolution. This work is oriented on the relation between uranium – a non-essential ubiquitous metal – and citrate – a low molecular weight organic acid exudated by specific species when grown on a phosphorus-deficient environment. Among these particular species white lupine (Lupinus albus) is considered as a model species. Furthermore, a natural soil containing huge amounts of uranium has been collected at the outcrop of a pitchblende vein and used during some experiments. The main aim of this PhD thesis was to determine if the root activity of white lupine is sufficient to cause the remobilization of uranium into soil solution and so to promote the transfer of this contaminant to the plant. The soil/plant system has been studied with rhizotests and by combining datas obtained with hydroponics experiments and batches tests. It has been demonstrated that the presence of uranium in a controlled growth medium (hydropony) stimulates citrate exudation in P-sufficient white lupine. More, this citrate exudation enhances uranium solubilization in soil solution in batches. These results have been confirmed by observations on rhizotest even if the values in this case were more nuanced. This justifies the employed approaches and highlights their coherence and complementarity. The results also allowed to provide additional information concerning uranium toxicity, its internalization in root cells as well as its transfer from roots to aerial parts.

Cette thèse a porté sur la détermination et l’étude écodynamique d’éléments traces métalliques sur des technosols fortement contaminés en métaux et metalloïdes en contexte de revégétalisation naturelle ou de phytoremédiation. Deux schémas d'extractions séquentielles ont été utilisés conjointement à des extractions sélectives en parallèle avec la détermination de la concentration totale dans les sols, de la concentration totale dissoute dans les eaux porales, du pool labile (sondes DGT) et des tests de germination avec des haricots nains pour étudier la spéciation, la mobilité et la phytodisponibilité de métaux et métalloïdes (Zn, Pb, Cd, As et Sb) pour les technosols de deux sites post-minier (La Petite Faye) et industriel (Mortagne-du-Nord). De plus de jeunes plants de P. euramericana Dorskamp ont été cultivés en rhizobox sur les technosols de Mortagne-du-Nord pour étudier l’effet rhizosphèrique sur la mobilité des métaux. Enfin l’effet de l’addition d’azote sous forme de nitrate et d’ammonium sur le comportement de ces métaux a été également étudié pour P. euramericana Dorskamp sur ces mêmes sols. Malgré les fortes concentrations totales en métaux et métalloïdes dans les sols du site de La Petite Faye, la mobilité de ces éléments potentiellement toxiques est limitée car associés à la fraction résiduelle. La phytodisponibilité est également limitée et corrélée avec le pool labile des technosols. La culture de P. euramericana Dorskamp a généré un effet rhizosphèrique caractérisé par une augmentation de la valeur du pH et la concentration de carbone organique dissout (COD) de la solution de sol ainsi qu’une diminution des concentrations totale dissoute des métaux (Zn, Pb et Cd) dans la solution de sol. L’addition d’azote sous forme de nitrate et d’ammonium a respectivement augmenté et diminué le pH de la solution de sol et dans le cas de l’ammonium a augmenté également le COD et stabilisé les métaux dans la rhizosphère par rapport aux sols de contrôle. / This thesis dealt with the determination and study of the ecodynamics of trace metals in technosols highly contaminated in metals and metalloids in the context of natural revegetalisation or phytoremediation. Two sequential extraction schemes were used jointly with selective extractions in parallel with the determination of the total metals concentration in soils, the total dissolved metals concentration in the soil pore water, the metals labile pool (DGT) and germination tests with dwarf beans to investigate the speciation, mobility and phytoavailability of (Zn, Pb, Cd, As and Sb) for technosols of two post-mining (La Petite Faye) and industrial (Mortagne du Nord) sites. Additionally, young plants of P. euramericana Dorskamp were cultivated in rhizobox on Mortagne du Nord technosols to investigate the rhizospheric effect on the mobility of metals. Moreover, the effect of nitrogen addition under nitrate and ammonium on the behavior of these metals has been investigated for P. euramericana Dorskamp for the same soils. Despite the high total metals and metalloids concentration in the La Petite Faye soils, the mobility of these potentially toxic elements is limited because of their association with the residual fraction. The phytoavailability is also limited and correlated with the labile pool of technosols. The culture of P. euramericana Dorskamp generated a rhizospheric effect characterized by an increase of the pH and concentration of dissolved organic carbon (DOC) in the soil pore water and a decrease in the total dissolved concentration of metals (Zn, Pb et Cd) in the soil pore water. The addition of nitrogen under nitrate or ammonium respectively increased and decreased the soil pore water pH and in the case of ammonium the DOC also increased and stabilized metals in the rhizosphere in comparison to control soils.

Au regard de l’amenuisement des ressources primaires et de l’augmentation de la production mondiale de déchets, le concept d’agromine propose de phytoextraire les métaux contenus dans les matériaux délaissés. La solution proposée dans ce concept s’inspire de la Nature (SBN) et des principes de l’agronomie et s’inscrit dans une démarche d’économie circulaire. Ainsi, les plantes hyperaccumulatrices (HA) sont capables de prélever les métaux à partir de leur système racinaire pour les stocker à de hautes concentrations dans leurs parties aériennes. Les enjeux de la thèse sont de valoriser des déchets ou matériaux secondaires par l’extraction des éléments d’intérêt qu’ils contiennent et d’identifier les plantes à même de pouvoir se développer sur ces milieux. L’objectif est de formuler à partir des matériaux choisis un substrat fonctionnel, c’est-à-dire capable de rendre un service de fourniture en nickel (Ni). Dans cette optique, le substrat doit permettre l’installation et le développement des HA pour parvenir au transfert des métaux vers les parties aériennes. Les travaux s’intéressent à une boue de phosphatation acide essentiellement composée de Fe, Zn, P et Mn et contenant 0,5% de Ni. Des tests de germination et de croissance ont été effectués avec différents substrats élaborés à partir de cette boue assemblée avec un mélange terreux. Le substrat retenu est constitué de 10% de boue et 90% de terre (m/m). Sur celui-ci, l’HA Alyssum murale produit une biomasse supérieure comparée à un sol témoin (sol ultramafique au même pH et contenant la même quantité de Ni biodisponible), malgré des signes de toxicité pour les plantes. Un des verrous majeurs est la forte toxicité due à la présence de 6% de Zn dans la boue. Deux voies d’amélioration du substrat sont expérimentées : i) l’utilisation d’amendements et ii) la disposition des matériaux dans le profil. L’amendement le plus efficace est un biochar de bois ; il améliore le développement des plantes et ainsi la quantité de Ni phytoextraite. De plus, en modifiant la disposition des matériaux au sein du profil par une répartition en couches, la production de biomasse et la phytoextraction sont améliorées. Ce dispositif permet de lever la toxicité liée au Zn. Il apparait essentiel de contrôler le pH du substrat lors d’une multi-contamination car l’immobilisation du métal varie selon l’élément. L’association du génie pédologique et du génie végétal a permis de formuler un substrat fonctionnel pour la récupération d’éléments d’intérêt tel que le Ni. Ces travaux démontrent la possibilité de valoriser des sous-produits appelés classiquement « déchets » pour obtenir une plus-value, diminuant aussi leur charge métallique et faisant émerger une nouvelle source de métaux « d’origine végétale » obtenue par l’agromine / In view of the depletion of primary resources and the increase in global waste production, the concept of agromining proposes phytoextracting the metals contained in abandoned materials. The solution proposed in this concept is inspired by Nature (NbS) and the principles of agronomy and is part of a circular economy. Thus, hyperaccumulator plants (HA) are able to collect metals from their root system and to store them at high concentrations in their aerial parts. The challenges of the thesis are to give value to waste or secondary materials by extracting the elements of interest that they contain and to identify the plants able to develop on these media. The objective is to formulate, from the chosen materials, a functional substrate, that is to say, capable of rendering a Ni supply service. From this point of view, the substrate must allow the installation and the development of the HAs in order to transfer the metals to the aerial parts. The work focuses on an acid phosphating sludge essentially composed of Fe, Zn, P and Mn and containing 0.5% Ni. Germination and growth tests were carried out with different substrates prepared from this sludge assembled with a soil sample mixture. The retained substrate consists of 10% sludge and 90% soil (w/w). On the latter, HA Alyssum murale produces a higher biomass compared to a control soil (ultramafic soil at the same pH and containing the same amount of bioavailable Ni), despite signs of toxicity to plants. One of the major locks is the high toxicity due to the presence of 6% Zn in the sludge. Two ways of improving the substrate are tested: i) the use of amendments and ii) the arrangement of materials in the profile. The most efficient amendment is a wood biochar; it improves the development of plants and thus the amount of phytoextracted Ni. In addition, by modifying the layout of the materials within the profile by a layered distribution, biomass production and phytoextraction are improved. This device makes it possible to remove Zn-related toxicity. It is essential to control the pH of the substrate during multi-contamination because the immobilization of the metal varies according to the element. The association of soil engineering and plant engineering has made it possible to formulate a functional substrate for the recovery of elements of interest such as Ni. This work demonstrates the possibility of upgrading by-products conventionally called "waste" in order to obtain a surplus value, also reducing their metallic charge and bringing about a new source of "plant-derived" metals obtained by agromining

La pollution des sols par les Eléments Traces Métalliques est un problème majeur car, contrairement aux autres milieux, le sol possède une plus faible capacité à s'épurer. Les différents modèles empiriques exprimant la solubilité et le coefficient de distribution Kd de ces polluants inorganiques dans les sols ne tiennent pas compte de l'influence des facteurs environnementaux. Le travail de thèse a consisté à étudier l'effet de facteurs environnementaux, dits « sensibles au changement global », sur la mobilité de Cd, Pb, Zn, As et Hg dans les sols, à l'aide d'un plan factoriel fractionnaire 2^(4-1). Onze échantillons de sol représentatifs de 3 sites d'études industriels et agricoles des bassins de la Meuse et de l'Ebre ont été étudiés dans le cadre du projet européen AQUATERRA. Le comportement de As n'est pas significativement corrélé à la nature intrinsèque des échantillons de sol mais à l'augmentation de la température et à une condition anoxique. Ces facteurs stimulent les activités microbiennes de solubilisation de As tels que réduction dissolutive microbienne des oxyhydroxydes de Fe et la réduction de As(V). La forte implication de l'activité microbienne permet de modéliser la mobilité de As en fonction des facteurs environnementaux, pour l'ensemble des 11 échantillons de sol. A l'inverse, le comportement de Cd, Pb et particulièrement Zn, est très significativement corrélé à la nature des échantillons de sol et notamment le pH du sol. Enfin, la phytodisponibilité de Cd, Pb, Zn et As a été estimée, à l'aide d'un système à compartiment, et modélisée de manière empirique, afin de permettre une meilleure compréhension des phénomènes de transfert sol-plante.