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La pollution de l’environnement est un problème croissant à l’échelle mondiale. La phytoremédiation est une technique in situ qui utilise les plantes et les micro-organismes qui leur sont associés pour extraire, dégrader ou immobiliser les contaminants environnementaux. Il s’agit d’une méthode moins coûteuse et moins nocive pour l’environnement que les autres techniques de restauration conventionnelles. Le cuivre est un élément trace (ET) souvent trouvé dans les friches industrielles ; il est peu mobile en raison de sa forte liaison avec la matière organique et les particules d’argile. Lorsqu’il est présent en excès, il est nocif pour la flore et la faune. Nous avons mené une expérience en conteneurs impliquant deux espèces distinctes, Brassica napus L., une plante agricole cultivée en grande quantité au Canada et Salix nigra 'S05', une espèce ligneuse à croissance rapide originaire du sud-est du Canada qui ont été cultivées ensemble ou séparément. Le but était de comparer leur potentiel de phytoremédiation de sol contaminé avec du cuivre suivant différentes concentrations. Pour les deux espèces, le cuivre était présent en plus grande quantité dans les racines. Nous avons constaté que la polyculture, en plus de produire le plus de biomasse en général, permettrait la stabilisation et l’extraction maximale de Cu et que l’arrachage de la plante entière serait le moyen le plus efficace d’assurer l’élimination maximale de Cu du sol. De nouvelles expériences devront être effectuées, car le déracinement des plantes présente de nouveaux défis et de nombreux autres facteurs doivent être étudiés et pris en considération. / Environmental pollution is a growing problem on a global scale. Phytoremediation, an approach that uses plants and their associated microorganisms to extract, degrade or immobilise environmental contaminants, is cheaper and less harmful to the environment compared to other conventional remediation techniques such as excavation. Furthermore, phytoremediation can help restore the ecological integrity of an ecosystem and allows for the revegetation of the sites. Copper is a trace element (TE) often found in brownfields which has a low mobility partly due to its strong bond with organic matter and clay particles. When present in excess, Cu is harmful to both flora and fauna. We experimented with two distinct species, B. napus L., an crop species which is grown in large quantities in Canada and S. nigra ‘S05’, a fast-growing woody species native to south eastern Canada in order to compare their phytoremediation potential in various levels of copper-contaminated soil when grown together or in monoculture. For both species, the copper was present in greater quantities in the roots as expected. We observed that the polyculture, in addition to producing the most overall biomass, would allow for the maximum stabilization and extraction of Cu of all treatments and that the removal of the entire plant would be the most efficient way of ensuring Cu removal from the soil. Further experiments will have to be done since the uprooting of plants would present new challenges and multiple other factors would have to be studied and taken into consideration.

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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.

Les Taillis à Très Courte Rotation sont une culture destinée à produire des plaquettes de bois énergie. L'objectif de la thèse était d'étudier l'impact des TTCR sur le fonctionnement des sols et de proposer des indicateurs de qualité. Cinq prélèvements ont été effectués chaque printemps et automne entre 2010 et 2012 sur les sols de quatre couples de TTCR et bandes enherbées, d'une forêt alluviale et d'un agrosystème, localisés dans la vallée de l'Aisne. Les paramètres suivants ont été mesurés: matières organiques, carbone total, capacité d'échange cationique et éléments échangeables, phosphore disponible, minéralisation du carbone et de l'azote, biomasse, abondance et diversité des communautés lombriciennes, abondance relative et diversité des communautés fongiques et bactériennes, activités enzymatiques, caractérisations physiques et chimiques des matières organiques. 6 années après la mise en place des TTCR, les densités fongiques et lombriciennes, la respiration basale, l'activité laccase étaient plus élevées dans les TTCR par rapport à l'agrosystème. Ces modifications peuvent être reliées aux changements quantitatifs et qualitatifs des matières organiques (augmentation du C/N, diminution de l'indice hydrogène). L'azote et le phosphore semblent être limitant mais les retours importants et le turn over rapide de la MO viennent tamponner les fortes exportations. Ces mesures ont conduit à la définition d'indicateurs et aboutissent à la proposition de trois indices : fertilité, activité biologique, abondance et diversité des communautés biologiques. L'utilisation des courbes de réponses principales confirme l'effet positif des TTCR sur la qualité du sol, observée avec le calcul d'indices synthétiques / Short Rotation Coppices (SRC) are a crop system intended to produce energy wood chips. This thesis aimed at assessing the impact of SRC on soil functioning and proposing quality indicators. Five samplings were performed in spring and autumn between 2010 and 2012 on plots including four couples of SRC and grassland, an alluvial forest and an agrosystem, in the Aisne valley. The following parameters were monitored: organic matter, total carbon, cation capacity exchange, available phosphorus, carbon and nitrogen basal respiration, earthworm biomass, density and diversity, fungal and bacterial density and diversity, enzymatic activity, physical and chemical organic matter characterisations. 6 years after conversion to SRC, earthworm and fungal density, basal respiration and laccase activity were higher in SRC soil compared to conventional agrosystem. These changes can be linked to qualitative and quantitative organic matter evolutions (increase of the C/N ratio and decrease of hydrogen index). Nitrogen and phosphorus seemed to be limiting factors for SRC crop yields. However, soil nutrient return and the good turnover of organic matter can buffer strong exportations. The measured parameters led to indicator definition and proposition of three indices: fertility, biological activity, density and diversity of biological communities. Principal response curves confirmed the positive effect of SRC on soil quality as observed with synthetic indices calculation

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.

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Mon sujet de thèse intègre l’un des projets globaux de l’UMR UFC/CNRS 6249 Chrono-Environnement intitule « stratégies de phytoremédiation basées sur l’utilisation d’arbres et de microorganismes associés », qui s’appuie, entre autre, sur 2 projets de recherche :• le projet PROLIPHYT (programme Eco-Industrie, 2013-2018, ADEME) intitulé « PROduction de LIgneux PHYtoremédiants»,• le projet PHYTOCHEM (ANR CD2i, 2013-2018) intitulé « Développement de procédés chimiques éco-innovants pour valoriser les biomasses issues des phytotechnologies ».Les objectifs généraux sont d’améliorer le potentiel de phytoremédiation d’un panel d’espèces ligneuses et de développer le potentiel microbien pour une phytoremédiation aidée sur sol contaminé. En plus de limiter l’impact des polluants, cette stratégie vise à promouvoir la production de biomasse sur sols délaissés et non exploitables par l’agriculture, tout en assurant la biodiversité nécessaire à la restauration d’un écosystème anthropogénique.Mon travail de thèse est financé au travers un contrat doctoral ministériel handicap (dyslexie). Il s’appuie sur la réhabilitation de deux zones de stockage de sédiments industriels, utilisés jusque dans les années 2000. Ces deux sites expérimentaux (site INOVYN de St Symphorien-sur-Saône en Côte d’Or, site CRISTAL de l’Ochsenfeld en Alsace) présentent des caractéristiques physico-chimiques très particulières qui en font des lieux d’étude privilégiés. Le premier est une ancienne lagune de décantation dont les sédiments enrichis en Hg, Ba et As proviennent du traitement des eaux usées issues du procédé d’électrolyse à Hg de l’entreprise SOLVAY. Le second est une lagune constituée d’un remblai dans lequel ont été stockés depuis les années 1930, les résidus d’extraction du dioxyde de titane de l’Usine CRISTAL de Thann. A l’inverse du premier site expérimental, on observe une flore peu abondante qui se traduit par un développement hétérogène d’une espèce ligneuse principale, le bouleau.La recolonisation naturelle et spontanée de végétaux, plus particulièrement d’espèces ligneuses sur les deux sites est sans doute le résultat d’étroites collaborations avec des microorganismes telluriques situés aux abords de leur système racinaire. Nous avons ainsi choisi de travailler sur 3 espèces pionnières qui se sont naturellement réimplantées sur les deux sites d’études : le saule et le peuplier pour la friche industrielle de Tavaux et le bouleau pour l’unité de traitement des effluents du site de l’Ochsenfeld. / AbstractMy thesis subject includes one of the global projects of the UMR UFC/CNRS 6249 Chrono-Environnement entitled "phytoremediation strategies based on the use of trees and associated microorganisms", which is based, among other things, on 2 research projects:• the PROLIPHYT project (Eco-Industry programme, 2013-2018, ADEME) entitled "Production of woody phytoremediants",• the PHYTOCHEM project (ANR CD2i, 2013-2018) entitled "Development of eco-innovative chemical processes to exploit biomasses from phytotechnologies".The general objectives are to improve the phytoremediation potential of a panel of woody species and to develop the microbial potential for assisted phytoremediation on contaminated soil. In addition to limiting the impact of pollutants, this strategy aims to promote the production of biomass on land abandoned and not exploitable by agriculture, while ensuring the biodiversity needed to restore an anthropogenic ecosystem.My thesis work is financed through a ministerial doctoral contract for disability (dyslexia). It is based on the rehabilitation of two industrial sediment storage areas, used until the 2000s. These two experimental sites (INOVYN site of Saint-Symphorien-sur-Saône in Côte-d'Or, CRISTAL site of Ochsenfeld in Alsace) present very particular physico-chemical characteristics which make them privileged places of study. The first is a former settling lagoon whose sediments enriched in Hg, Ba and As come from the treatment of wastewater from SOLVAY's Hg electrolysis process. The second is a lagoon consisting of a backfill in which the titanium dioxide extraction residues from the CRISTAL Thann Plant have been stored since the 1930s. In contrast to the first experimental site, there is a low abundance of flora which results in heterogeneous development of a main woody species, the birch.The natural and spontaneous recolonisation of plants, more particularly woody species on both sites, is undoubtedly the result of close collaboration with telluric microorganisms located near their root systems. We have thus chosen to work on 3 pioneer species that have naturally relocated to the two study sites: willow and poplar for the industrial wasteland of Tavaux and birch for the effluent treatment unit at the Ochsenfeld site.

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.