Toxic elements are present in polluted water from mines, industrial outlets, storm water etc. Wetland plants take up toxic elements and increase the pH of the medium. In this thesis was investigated how the shoots of submerged plants and roots of emergent plants affected the pH of the surrounding water in the presence of free toxic ions. The aim was to clarify the mechanisms by which these plants change the surrounding water pH in the presence of toxic ions. The influence of Elodea canadensis shoots on the pH of the surrounding water was studied in the presence of cadmium (Cd) at low initial pH (4-5). The involvement of photosynthetic activity in the pH changes was investigated in the presence and absence of Cd. The cytosolic, vacuolar and apoplasmic pH changes as well as cytosolic Cd changes in E. canadensis were monitored. The influence of Eriophorum angustifolium roots on the pH of the surrounding water was investigated in the presence of a combination of Cd, copper, lead, zinc and arsenic at low initial pH (3.5). Eriophorum angustifolium root exudates were analyzed for organic acids. Elodea canadensis shoots increased the pH of the surrounding water, an effect more pronounced with increasing Cd levels and/or increasing plant biomass and increased plant Cd uptake. The pH increase in the presence of free Cd ions was not due to photosynthesis or proton uptake across the plasmalemma or tonoplast. Cadmium was initially sequestered in the apoplasm of E. canadensis and caused its acidosis. Eriophorum angustifolium roots increased the surrounding water pH and this effect was enhanced in the presence of arsenic and metals. This pH increase was found to depend partly on the release of oxalic acid, formic acid and succinic acid by the plants. In conclusion, E. canadensis shoots and E. angustifolium roots were found to increase the low initial pH of the surrounding water. The pH modulation by these species was enhanced by low levels of free toxic ions in the surrounding water. / At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2: Submitted. Paper 3: Submitted. Paper 4: Manuscript.

La transition des activités humaines vers des modèles de développement durable pourrait contribuer à mieux s’adapter aux enjeux mondiaux interconnectés comme les changements climatiques, l’insécurité alimentaire, la santé globale, et l’épuisement des ressources. Cette thèse représente l’un des premiers travaux de recherche visant à combiner l’utilisation des saules à croissance rapide (Salix sp.) pour la phytoremédiation avec leur potentiel pour les bioraffineries. La métabolomique non-ciblée utilisée avec des saules dans deux études complémentaires a permis d’acquérir à la fois des connaissances appliquées sur la valorisation des composés extractibles et une compréhension fondamentale des mécanismes de tolérance au sel. Des saules matures, utilisés pour traiter des eaux usées, ont été évalués à travers un processus de transformation allant de la biomasse brute aux rendements finaux (bioéthanol, lignines, composés bioactifs). L’irrigation avec des eaux usées a triplé les rendements en biomasse, avec une augmentation significative du glucane au détriment d’une réduction des extractibles. Ces variations suggèrent l’allocation des ressources pour soutenir la croissance plutôt que les molécules de défense. Un prétraitement par liquide ionique a fractionné la biomasse, une méthode compatible avec des biomasses contaminées et permettant d’obtenir des composantes séparées de grande qualité. La saccharification enzymatique a livré les rendements en bioéthanol tandis qu’un contre-solvant a précipité la lignine brute, avec une efficacité similaire aux saules témoins. Malgré une teneur réduite en extractibles, l’irrigation par les eaux usées a enrichi le profil phytochimique en flavonoïdes et lignans, potentiellement associés aux perturbations causées par l’inondation et la salinité, et ayant de possibles propriétés antimicrobiennes et antioxydantes. En intégrant deux approches vertes, cette étude démontre une augmentation significative des rendements annuels de bioproduits par unité de surface cultivée, renforçant la viabilité économique et la durabilité environnementale de chacune des deux approches prises individuellement. Une seconde étude s’intéresse plus profondément aux mécanismes de tolérance d’un saule face à deux sels abondants, le NaCl et le Na2SO4, la salinisation étant généralement associée à l’utilisation d’eaux usées et fréquente sur de nombreuses terres marginales. Malgré une conductance stomatique réduite, Salix miyabeana a maintenu sa capacité photosynthétique et sa production de biomasse, même à des niveaux élevés de sel. Les cations et anions salins sont gérés différemment par la plante, qui restreint largement l’absorption du Na+ aux racines, alors que le Cl- et le SO42- sont transportés jusque dans les feuilles. Les analyses révèlent une tolérance résultant à la fois de la plasticité des métabolites constitutifs et des métabolites spécialisés associés aux organes. Les réponses nuancées en fonction des organes et des ions indiquent des adaptations spécifiques dans l’allocation du carbone, la production d’antioxydants ou le métabolisme du soufre par exemple. Seulement 3% des métabolites constituaient une réponse généralisée aux deux types de sels, incluant une réduction de saccharides et un enrichissement de composés phénoliques simples, comparativement aux 28% impliqués au total. Le NaCl induit une réduction du métabolisme énergétique à l’échelle de toute la plante, potentiellement combinée au renforcement racinaire par l’augmentation de précurseurs de la lignine et d’antioxydants. À niveaux équivalents d’électroconductivité et de sodium, Na2SO4 induit une perturbation métabolique plus limitée. Même à concentration double de Na2SO4, l’activité métabolique se caractérise par un enrichissement préférentiel, probablement facilité par l’assimilation de l’excès de SO42- en composés organiques plutôt que leur séquestration. Notre étude des ajustements métaboliques complexes des saules, une espèce non-modèle mais d’importance biologique, environnementale et économique, a contribué à approfondir notre compréhension de leur résilience face aux stress abiotiques, informant ainsi les approches de gestion de l'eau et des terres ainsi que les pratiques de production durables. / Transitioning towards sustainable models that harmoniously integrate human activities within natural cycles could address interconnected global challenges such as climate change, social and economic inequalities, food insecurity, global health, and resource depletion. Phytoremediation, leveraging plant-microorganism interactions to mitigate soil and water pollution, offers a potentially efficient and environment-friendly solution, while also being economically viable and socially acceptable. This thesis represents one of the initial efforts to integrate the application of fast-growing willows (Salix sp.) for phytoremediation, capitalizing on their stress tolerance, with its potential for widerange biorefineries, harnessing their high biomass productivity as a renewable resource for bioenergy and bio-based products. Two complementary studies employed untargeted metabolomics to acquire both applied knowledge on the extensive valorization potential of extractable phytochemicals, and fundamental understanding of their salt stress tolerance mechanisms. Mature field-grown willows used for phytofiltration of primary municipal wastewater effluent were comprehensively characterized to assess their biorefinery potential through a complete process, from raw biomass to final bioethanol, lignin, and extractives yields. Wastewater irrigation tripled biomass yield and structural biochemical compound quantification revealed a significant increase in constitutive glucan along with a significant decrease in extractives, suggesting resource investment into growth over specialized defensive compounds. Ionic liquid pretreatment enabled biomass fractionation, chosen for its versatility in recovering multiple highquality streams and its suitability for contaminated biomass. Subsequently, enzymatic saccharification determined the final bioethanol yields, while counter-solvent precipitation recovered crude lignins. Despite a generalized reduction of extractives, wastewater irrigation enriched the extractable phytochemical profile with flavonoids and lignans, potentially associated with flooding, salinity, antimicrobial and antioxidant activities. Wastewater irrigated willows maintained quality and conversion potential, enhancing the annual valorization yields per growing surface, and strengthening the economic viability and environmental sustainability. These results demonstrated mutual benefits of integrating wastewater treatment and biorefineries. A subsequent study investigated Salix miyabeana tolerance and metabolic response to two environmentally abundant salts, NaCl and Na2SO4, considering salinity as a potential consequence of wastewater irrigation. Despite reduced stomatal conductance, willows maintained photosynthetic capacity and biomass productivity even under high soil salinity levels, demonstrating their salt tolerance. Elemental analysis revealed differential fate of salt ions, restricted Na+ absorption in roots, while Cl- and SO4 2- accumulated in aerial parts. Untargeted metabolomics exposed willow’s efficient metabolic plasticity in response to salts, modulating both constitutive and organ-specialized metabolites. Differential organ- and anion-specific responses indicated nuanced adaptation mechanisms, involving adjustments in carbon allocation, antioxidant production, and sulfur metabolism. Only 3% of metabolites constituted a generalized salt stress response, including reduced saccharides alongside enriched simple phenolics, as compared to 28% involved in overall salt response. NaCl triggered plant-wide energy metabolism reduction, potentially coupled with reinforced root structure through increased lignin precursors and antioxidant compounds. At similar soil EC and sodium concentration, Na2SO4 caused lower metabolic disruption, and as Na2SO4 concentration increased, willow was able to support the metabolic enrichment instead of depletion, likely associated with the ability to integrate SO4 2- in sulfur metabolism instead of passive sequestration. Our investigation into the complex metabolic adjustments of willows, a non-model species but of biological, environmental and economic importance, contributed to deepen our understanding of its resilience towards abiotic stresses, further informing effective water and land management approaches as well as sustainable production practices.