Remediation of trace element-contaminated sites must consider both the nature of the contaminants and environmental surroundings. This thesis examined treatments for two contamination scenarios. The first study characterized chromium dynamics during the redox-sorption treatment of aqueous hexavalent chromium with the reducing agent sodium dithionite and two iron oxides. Results showed that chromium was successfully removed from solution by precipitation and sorption. The iron oxide derived from ferric chloride had a greater sorption capacity for hexavalent chromium than the oxide derived from ferrous chloride. The second study examined the phytoextraction treatment of soils contaminated with multiple trace elements. Deschampsia caespitosa plants had better early growth in the contaminated high-organic matter soil than three Brassica species. However, D. caespitosa plants did not take up sufficient amounts of trace elements during the study to be considered useful for short-term phytoextraction. These findings are applicable to the development of effective trace element remediation methods.

Remediation of trace element-contaminated sites must consider both the nature of the contaminants and environmental surroundings. This thesis examined treatments for two contamination scenarios. The first study characterized chromium dynamics during the redox-sorption treatment of aqueous hexavalent chromium with the reducing agent sodium dithionite and two iron oxides. Results showed that chromium was successfully removed from solution by precipitation and sorption. The iron oxide derived from ferric chloride had a greater sorption capacity for hexavalent chromium than the oxide derived from ferrous chloride. The second study examined the phytoextraction treatment of soils contaminated with multiple trace elements. Deschampsia caespitosa plants had better early growth in the contaminated high-organic matter soil than three Brassica species. However, D. caespitosa plants did not take up sufficient amounts of trace elements during the study to be considered useful for short-term phytoextraction. These findings are applicable to the development of effective trace element remediation methods.

The aim of this study was to carry out experiments with maize (Zea mays) for the purpose of finding out the efficiency of phytoextraction of chosen pharmaceuticals from the nutrient solution. The plants were cultivated for three weeks in a sterile environment. Then was added a nutrient solution enriched with chosen benzodiazepines - diazepam, flunitrazepam, nitrazepam and bromazepam - in concentration 5-10 mg/L. The samples from each plant were taken every day (24 hours) and then were analyzed with HPLC/UV. The efficiency of phytoextraction was evaluated in two ways. The first one as an percentage of a decrease of the concentration of the pharmaceuticals in the solution with time, the second one as an amount of phytoextracted pharmaceutical in milligrames per gram of the plant matter. From the standpoint of the decrease of the concentration was as the most efficient measured the phytoextraction of nitrazepam (74,7 %), less efficient diazepam and bromazepam (55,2 %, respectively 53,9 %) and the least efficient flunitrazepam (38,0 %). When converted to the mass of the plant matter the most efficient was found the phytoextraction of bromazepam (0,08 mg of drug to 1 gram of plant matter), lower efficiency by bromazepam and diazepam (both 0,02 mg) and the lowest again by flunitrazepam (0,01 mg). key...

La chlordécone (CLD) est un insecticide organochloré qui a été utilisé principalement aux Antilles pour lutter contre le charançon du bananier (Cosmopolites sordidus). Sa faible dégradabilité dans le sol et sa dispersion dans les bassins versants entraînent une contamination durable des sols agricoles et des écosystèmes environnants. Cela pose un problème d’exposition pour l’Homme par la consommation de végétaux contaminés et pour l’environnement par le transfert de la molécule dans les chaînes alimentaires (bioamplification). Pour l’Homme, les principaux végétaux à risque sont les légumes-racines, en contact direct avec la CLD dans le sol, mais aussi les autres légumes car des résidus de CLD sont retrouvés dans les parties aériennes, tiges ou feuilles. Ce travail de thèse a porté sur le transfert sol-plante de la CLD, d’une part dans les tubercules des légumes-racines pour appréhender le risque sanitaire et d’autre part dans les graminées pour le risque environnemental. La lipophilie de la CLD joue un rôle majeur dans son transfert dans les plantes. La CLD a une affinité particulière pour les tissus lipophiles, notamment le périderme subérifié des tubercules et les parois cellulaires incrustées de lignine des vaisseaux du xylème. En outre, le transfert est dépendant de l’architecture de la plante, de sa physiologie et de l’histologie de ses organes. Nous avons mis en évidence deux voies de contamination des plantes par la CLD : l’absorption racinaire et l’adsorption sur le périderme des tubercules. Ces phénomènes sont suivis de la translocation de la molécule vers les tissus internes du tubercule par diffusion et vers la partie aérienne de la plante par évapotranspiration via les faisceaux vasculaires du xylème. Dans le cas des tubercules, nous avons distingué la part de contamination apportée par l’absorption racinaire de celle due à l’adsorption péridermique. Chez le radis, il a été montré que le phénomène prépondérant était la diffusion trans-péridermique. Une analyse du risque de contamination de tubercules couramment consommés aux Antilles (patate douce, dachine, igname) a été réalisée en se basant notamment sur l’architecture de la plante et l’histologie des tissus mis en place lors de la tubérisation. Concernant les graminées, la capacité de transfert de la CLD dans la partie aérienne de la plante a été étudiée chez plusieurs graminées usuelles. Le potentiel de contamination de la plante dépend de ses caractéristiques physiologiques (métabolisme) et de son cycle de vie (pérennité). Ces caractéristiques pourraient permettre d’orienter le choix de certaines graminées pour la phytoremédiation de la CLD. / Chlordecone (CLD) is an organochlorine insecticide mainly used in French West Indies to struggle against banana weevil (Cosmopolites sordidus). Its low degradability into soils and its spreading in catchment basins cause a sustainable contamination of agricultural soils and surrounding ecosystems. This leads to a human exposure risk, by food consumption of contaminated vegetables, and to an environmental risk by transfer of CLD in food chains. Main hazardous vegetables for human health are root-vegetables that are directly in contact of soil but also other vegetables because CLD residues are found in aerial parts of plant, leaves and shoots. The environmental risk seems to be the biomagnification of contamination in trophic chains due partly by consumption of contaminated plants. This work focused on the CLD soil-plant transfer, on the one hand in tubers of edible-roots for knowing the health risk and on the other hand in grasses for environmental risk. The CLD lipophilicity plays a major role in its transfer to plants. CLD exhibits a certain affinity for lipophilic tissues particularly for the suberised periderm of tubers and the xylem cell walls that are thickened by lignin. In addition, transfer depends on plant architecture, physiology and organ histology. Two ways of CLD plant contamination were highlighted: roots absorption and adsorption onto tuber periderm. These mechanisms are followed by CLD translocation towards internal tissues of tuber by diffusion and to above-ground parts of the plant within the transpiration stream occurring in vascular xylem vessels. For tubers, we distinguished between the contamination brought by roots absorption and the one brought by peridermic adsorption. In radish, the trans-peridermic diffusion was showed as the major way of contamination. A risk analysis mainly based on plant morphology and tissue histology set up during tuberization process was realized. For grasses, CLD transfer ability to aerial part of plant was studied in several usual gramineae (yam, sweet popato, dasheen). Plant contamination potential is mainly determined by its physiological traits (metabolism) and its life cycle (perenniality). These features could drive the choice of some gramineae to perform CLD phytoremediation.

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

La prédiction du transfert de cadmium du sol à la plante passe par l'élaboration d'un modèle décrivant la dynamique du métal dans le végétal. Cette thèse analyse les cinétiques d'accumulation du Cd dans Noccaea caerulescens, à l'échelle de la plante entière, de ses organes et au cours de son cycle de végétation. Elle cherche également à établir un modèle prédictif simple, fondé sur les relations entre concentrations d'exposition et en Cd dans la plante. Lorsque N. caerulescens est exposée à une concentration constante en conditions contrôlées, l'allocation de biomasse et la translocation du Cd aux parties aériennes sont constantes dans le temps. Une relation linéaire étroite existe entre la quantité de Cd prélevé, la biomasse et la concentration d'exposition, représentée par le facteur de bioconcentration (BCF). Le développement de la plante n'a pas d'effet sur l'influx racinaire en Cd, qui reste constant dans le temps et proportionnel à l'exposition. Ces résultats suggèrent que le Cd est alloué aux différents tissus aériens de la plante sans prédilection. A contrario, lors des cultures extérieures en terre, les concentrations en Cd, Ni et Zn diminuent au cours du temps après la vernalisation. Les trois métaux ont des comportements similaires en termes d'accumulation dans les différents tissus. La quantité maximale de Cd dans les organes aériens est observée à 2100°Cj. Lorsque la plante est en fleur, elle ne semble pas présenter d'organe aérien privilégié pour l'hyperaccumulation du Cd, les BCF étant constants dans le temps. L'utilisation du BCF permet une prédiction correcte des concentrations dans les parties aériennes, contrairement au modèle de Barber-Cushman / Prediction of cadmium transfer from soil to plant can be achieved by the development of a model describing metal dynamics in the plant. This thesis analyzes Cd accumulation and distribution kinetics in Noccaea caerulescens, in the whole plant and its organs during a growth cycle. A simple predictive model, based on the relationship between Cd exposure concentration and plant Cd concentration, is also developped. This work is based on long-term experiments in controlled conditions with a constant exposure and on outside soil experiments. When N. caerulescens is exposed to a constant concentration under controlled conditions, biomass allocation and Cd translocation to the shoots are constant over time. A strong linear relationship exists between the amount of Cd taken up, biomass and exposure concentration, represented by the bioconcentration factor (BCF). The plant development has no effect on Cd root influx, which remains constant during time and proportional to Cd exposure concentration. These results suggest that Cd is allocated to the various shoots? tissues without predilection. On the other hand, in the field, Cd, Ni, end Zn concentrations in shoots decrease over time after vernalization. The three metals have similar behaviors in terms of accumulation in the different tissues. The maximum amount of Cd in shoots is observed at 2100°Cdays. When the plant is in flower, no privileged shoots parts appear in Cd hyperaccumulation, the BCF is constant over time. The use of the BCF, measured in controlled conditions, allows a correct prediction of shoots concentrations, unlike the Barber-Cushman model

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

L'activité humaine est responsable de pollutions diffuses des sols entrainant des dommages sur l'écosystème. Afin d'éviter des déséquilibres importants comme la diminution de la biodiversité ou bien la contamination des chaînes trophiques par des polluants, il est nécessaire de restaurer les écosystèmes. Les différentes techniques utilisées à l'heure actuelle sont couteuses, diminuent la fertilité du sol et ont un effet négatif sur la fonctionnalité des écosystèmes. A contrario, la phytoremédiation ou dépollution grâce aux plantes, apparaît comme une solution digne d'intérêt. Néanmoins, elle nécessite d'être améliorée puisque de nombreux mécanismes restent inexpliqués. L'originalité de notre travail est d'étudier la fonctionnalité de la rhizosphère du maïs (Zea mays) exposée à des pesticides organochlorés (OCPs), le lindane et la chlordécone, interdits respectivement en 1998 et 1993 et persistants dans l'environnement. Cette étude a été réalisée en présence ou absence de microorganismes afin de préciser les mécanismes mis en jeux par les microorganismes et les matrices végétales. Ce travail a mis en évidence les mécanismes impliqués dans la phytotoxicité des deux organochlorés sur les cellules racinaires. Les réponses cellulaires sont dose-dépendantes et montrent un effet des OCPs sur le cycle cellulaire (induction de l'endoréplication et de la ploïdie) et la mort cellulaire (induction de ROS, du calcium cytosolique, des caspase-3-like, de l'apoptose) lors d'expositions extrêmes (correspondant à des cas particuliers comme les friches industrielles). A de plus faibles expositions ayant une réalité environnementale, les racines exposées montrent une perturbation importante de leur métabolome primaire. Ces modifications mesurées sur la production des sucres, des acides organiques, des acides aminées et des lipides peuvent être induites par le stress oxydant produit par les OCPs. Par ailleurs, de tels changements dans le métabolome peuvent provoquer une modification de la composition des exsudats racinaires, jouant sur la relation plante/microorganismes de la rhizosphère. Nos résultats montrent que la fonctionnalité globale de la rhizosphère (allocation des ressources en carbone et azote, catabolisme des microorganismes) n'est pas modifiée sur le long terme en présence des OCPs. Enfin, nous avons démontré l'implication de la rhizosphère (rétention/métabolisation des OCPs) sur l'absorption des OCPs par Zea mays. Le lindane semble être en partie minéralisé par la microflore rhizosphèrique puis les métabolites libérés sont absorbés par les racines, où ils sont majoritairement bioconcentrés. Ces connaissances fondamentales mettent en évidence l'adaptation de la rhizosphère à la pression chimique des OCPs et montrent que la rhizosphère reste fonctionnelle en présence de matrices contaminées par les OCPs. / Human activities lead to diffuse pollution causing damages to the ecosystem. To avoid major disturbances such as biodiversity loss or contamination of trophic chains by pollutants it is necessary to restore these ecosystems. The classical techniques used in depollution are expensive, reduce soil fertility and have a negative effect on ecosystem functionality. In contrast, the use of plants to clean up soils called phytoremediation seems to be a more effective solution. However, it needs to be improved because many biological mechanisms remain unexplained. The originality of our work is to study the functionality of the rhizosphere of maize (Zea mays) exposed to organochlorine pesticides (OCPs), lindane and chlordecone, banned in 1998 and 1993 respectively and persistent in the environment. This study will be conducted in the presence or absence of microorganisms to clarify the relationships between microorganisms and plant matrices. In this study, the mechanisms involved in the phytotoxicity of OCPs in root cells were analyzed. The cytotoxicity was dose-dependent and showed effects on the cell cycle (induction of endoreduplication and level of ploidy) and on cell death (induction of ROS, cytosolic Ca2+, caspase-3-like, apoptosis) under higher doses of exposure (particular case of former industrial sites). Lower exposures usually detected in the environment showed great disturbances in the root metabolome. These changes in sugars, organic acids, amino acids and lipids syntheses could be induced by oxidative stress provided by OCPs. Moreover, metabolome changes might cause modifications in root exudate composition which is involved in plant-microbe relationships. Ours results demonstrate that the overall rhizosphere functionality (resource allocation, carbon and nitrogen contents and microorganism's catabolism) was not disturbed by OCPs long-term exposure. Finally, we demonstrated rhizosphere positive impact on uptake of OCPs by Zea mays. Lindane seems to be partially mineralized by rhizospheric microorganisms. Then, these produced metabolites were uptaken by roots where they were bioconcentrated. These findings highlighted the rhizosphere adaptation to chemical pressure by OCPs and showed the good rhizosphere functionality despite of the OCPs contamination.

Face à la toxicité des éléments traces métalliques (ET) dans l’environnement, les plantes ont développé différentes stratégies aujourd’hui exploitées en phytoremédiation. Les arbres paraissent plus efficaces que les herbacées pour la phytoextraction de par leur importante biomasse et leur système racinaire plus profond. Ces travaux ont donc été menés sur des espèces ligneuses largement répandues dans la région Limousin, plus particulièrement des conifères: le Douglas, le mélèze hybride et ses deux parents, le mélèze d’Europe et le mélèze du Japon. Plusieurs modèles de culture ont été utilisés pour permettre, par des approches complémentaires, une meilleure appréhension des réponses de ces conifères aux ET : des plantules cultivées in vitro et des germinations ou des arbres âgés de 2 ans cultivés sous serre. Les conifères ont été exposés soit à un seul ET, le Cadmium (Cd), soit à plusieurs ET (As, Pb, Sb) présents dans des sols collectés sur deux anciens sites miniers. Les résultats ont montré que, parmi les espèces étudiées, le Douglas présentait le taux d’accumulation le plus élevé en Cd. Cependant, la quantité stockée dans la biomasse aérienne est restée faible par rapport à d’autres espèces d’arbres déjà utilisées en phytoextraction. Par ailleurs, la caractérisation chimique des pectines de la paroi a mis en évidence des modifications quantitatives et qualitatives suggérant un processus d’exclusion du Cd. Au niveau intracellulaire, les résultats ont montré que les polyamines et les oligopeptides riches en thiols ne semblaient pas impliqués dans la compartimentation du Cd. En revanche, une accumulation de proline a été observée en réponse au Cd et à d’autres ET, suggérant une implication de la proline comme molécule antioxydante et / ou chélatrice d’ET. L’ensemble des résultats a mis en évidence la nécessité d’optimiser la croissance des conifères et la phytodisponibilité des ET du sol avant de pouvoir proposer ces conifères, et notamment le Douglas, pour la phytoextraction d’ET. / Given the toxicity of trace elements (TE) in the environment, plants developed varions strategies used currently for phytoremediation. Trees appear more efficient than herbaceous species for phytoextraction as they have a larger biomass and a deeper root system. The work was thus performed on woody species widespread in Limousin region, particularly conifers: Douglas fir, hybrid larch and its two parents, European larch and Japanese larch. Several culture models were used to allow, through complementary approaches, a better understanding of the response of these conifers to TE: in vitro grown plantlets and seedlings or 2-year-old trees grown in greenhouse. Conifers were exposed to a single TE, cadmium (Cd), or to several TE (As, Pb, Sb) present in soils collected from two former mining sites. Among investigated species, results showed that Douglas exhibited the highest rate of Cd accumulation. However, the amount stored in aboveground biomass remained low compared to other tree species already used in phytoextraction. Furthermore, the chemical characterization of cell wall pectins highlighted quantitative and qualitative modifications suggesting a Cd exclusion process. At the intracellular level, results showed that polyamines and thiol-rich oligopeptides did not appear to be involved in Cd compartmentation. However, a proline accumulation was observed in response to Cd and other TE, suggesting an involvement of proline as antioxidant molecule and / or TE scavenger. Overall, results highlighted the need to optimize conifer growth and soil TE phytoavailability before to propose these conifers, particularly Douglas, for the phytoextraction of TE.

Des modèles prédictifs de prélèvement d’éléments traces métalliques (ETM) par des plantes hyperaccumulatrices sont à développer pour rendre la phytoextraction opérationnelle. Ce travail a pour objectif de développer, calibrer et valider un modèle biophysique combiné d’accumulation foliaire et de mise en solution du nickel lors de cultures de l’hyperaccumulateur Leptoplax emarginata sur un sol fertilisé et contaminé en Ni. Une partie de ce modèle intègre un facteur de bioconcentration lié à la transpiration (TSCF) qui caractérise le mode de transport principal du Ni à travers la racine et jusqu’aux feuilles, lors d’une cinétique couplée de production de biomasse foliaire et de transpiration. Sur des plantes intactes et transpirantes, nous avons déterminé un TSCFNi supérieur à 1 du fait : (i) d’une grande perméabilité des racines à la fois au nickel et à l’eau et (ii) d’un transport actif du Ni largement prédominant. A l’opposé, le TSCFNi du blé de Printemps, plante exclusive, était inférieur à 0,02, et le coefficient de réflection correspondant proche de 1, ce qui caractérise des racines perméables à l’eau mais quasiment pas au nickel. L’exceptionnelle capacité de L. emarginata à accumuler et à tolérer le nickel dans ses feuilles, et plus précisément dans ses épidermes, serait également attribuable à ses transpiration et production de protéines soufrées très élevées, tout particulièrement au niveau de ses feuilles les plus jeunes. Enfin, après avoir couplé notre modèle biophysique d’accumulation foliaire du nickel au modèle de mise en solution des ETM développé par Ingwersen et al. (2006), nous avons optimisé les paramètres du modèle, notamment les paramètres physico-chimiques, et avons validé notre modèle sur des données cinétiques conjointes de quantités de nickel accumulé dans les feuilles de l’hyperaccumulateur et de concentration en nickel dans la solution du sol. Les perspectives de ce travail sont (i) un approfondissement des relations entre l’accumulation foliaire du nickel (ou d’un autre ETM) par un hyperaccumulateur, la transpiration et la production de protéines soufrées permettant une complexation de l’ETM et (ii) une adaptation du modèle pour le terrain, ce qui nécessite notamment une meilleure utilisation du couplage production de biomasse foliaire/transpiration et une prise en compte des cinétiques d’humectation et de dessiccation du sol (équation de Richards de transport d’eau en conditions non saturées), ce qui conduira à la mise au point d’un modèle 1D (la profondeur du sol) d’accumulation foliaire et de mise en solution d’ETM / To make phytoextraction practically feasible, predictive models of metal uptake by hyperaccumulators need to be developed. The aim of this work was to design, calibrate and validate a biophysical combined model of nickel foliar accumulation and availability in soil solution during cultures of the hyperaccumulator Leptoplax emarginata on a fertilized and Ni-contaminated sandy topsoil. We succeed in this. Part of the model integrates a transpiration bioconcentration factor (TSCF) which characterized the main Ni transport through the root and to the leaves. We determined a TSCF value greater than 1 for L. emarginata, which was attributed to (i) a high root permeability to both Ni and water and (ii) a predominant Ni active transport. By contrast, Spring wheat was characterized by a TCSF value less than 0.02 and a reflection coefficient very near 1, indicating that its roots are permeable to water but quite unpermeable to nickel. The high capacity of L. emarginata to tolerate and accumulate Ni in their leaves should also be attributed to its large transpiration and sulfur accumulation, particularly in their youngest leaves. Perspectives of this work are (i) a detailed study on relations between Ni accumulation, transpiration and production of sulphur proteins and (ii) a field adaptation of the model taken into account water transport in unsaturated conditions, leading to design a combined 1D model of nickel foliar accumulation and availability in soil solution