Le changement d'occupation des sols contaminés est susceptible de modifier la nature et la quantité des matières organiques du sol (MOS). Les matières organiques sont connues pour avoir un rôle de source trophique pour les organismes des sols et un rôle de ligand vis-à-vis des éléments traces métalliques (ETM) dans les sols contaminés. Des changements de matières organiques dus aux changements d'occupation des sols contaminés peuvent modifier la spéciation des ETM et leur disponibilité. Mais dans ce cas, le rôle de la matière organique dans le déterminisme de la disponibilité des ETM est peu documenté. L'objectif du travail présenté dans cette thèse était de mettre en évidence le rôle des matières organiques dans la disponibilité des ETM, dans le cas de sols agricoles contaminés après un changement de cultures annuelles vers des cultures pérennes à vocation non-alimentaire. Le travail a concerné l'étude de la disponibilité du Cu, Pb, Zn et Cd dans les sols de deux sites différents en texture et en origine de pollution i.e. le site de Metaleurop (Nord de la France) avec des sols limoneux contaminés par des retombées atmosphériques et le site de Pierrelaye (Région Parisienne) avec des sols sableux contaminés par les apports d'eaux usées brutes de la ville de Paris. Le rôle de la matière organique a été étudié en travaillant 1) sur des échantillons de sols sous deux cultures différentes i.e. sous culture annuelle et culture pérenne à vocation énergétique miscanthus depuis trois ans, 2) sur les échantillons de sol avant et après incubation in vitro afin d'accélérer la minéralisation de la matière organique, et 3) sur des échantillons de sol avec et sans matières organiques particulaires (MOP) i.e. les fractions libres des MOS afin de mettre en évidence leur rôle spécifique. Une approche combinée d'évaluation de la disponibilité par des extractions chimiques des ETM et d'étude de la localisation des ETM dans des fractions granulométriques a été utilisée. Les résultats obtenus montrent que l'impact de l'occupation des sols (sous culture annuelle ou pérenne miscanthus) sur la disponibilité des ETM était différent pour les deux sites étudiés. Pour les sols du site de Metaleurop les résultats ont montré que la disponibilité de Cu et Pb diminuait sous miscanthus tandis qu'une augmentation de leur localisation dans les fractions fines était observée. Par contre aucun changement n'a été observé pour Zn ni Cd dans ce site. Au contraire pour les sols sableux riches en matières organiques de Pierrelaye le changement d'occupation a impacté la disponibilité de Zn et Cd tandis que celle de Pb et Cu n'a pas évolué. Les résultats des sols avant et après incubation montrent que l'impact de la minéralisation des MOS sur la disponibilité des ETM était site dépendant pour Pb et Cd alors que l'effet sur Cu et Zn était similaire pour les sols des deux sites. En travaillant sur les sols avec et sans MOP, nous avons pu observer que les MOP en tant que fraction organique libre participaient à la disponibilité des ETM telle qu'étudiée, et que une partie du cuivre lié aux MOP était disponible pour un organisme dans nos conditions. Ces résultats de disponibilités des ETM dans des sols qui varient avec la nature et la quantité des matières organiques sont discutés.

La phytoremédiation s’impose depuis peu comme une alternative de décontamination des sols accessible et soucieuse de l’environnement. Le projet présenté ici a permis de tester, en serre, un traitement sur des sols modérément contaminés aux éléments traces (ET) (Cd, Cu, Pb et Zn), et comportant deux niveaux de contamination organique. L’étude, imbriquée au projet Génorem, a été réalisée à l’aide de plants de Salix purpurea et de mycorhizes Glomus irregulare. Les objectifs étaient 1) d’étudier l’effet de la présence des mycorhizes introduites sur le processus d’absorption des ET, ainsi que l’efficacité générale du traitement ; 2) de déterminer l’influence des processus de transfert et de mise en solution des ET au sein de la rhizosphère sur leur taux d’accumulation par les plantes, et 3) de mesurer l’impact des caractéristiques des sols et de la contamination organique sur la phytoextraction. La présence des mycorhizes inoculées n’a été perceptible ni sur l’accumulation et le transfert des ET, ni sur la production de biomasse. Seules les concentrations solubles de Cu et de Pb se sont avérées moins importantes dans la rhizosphère des sols inoculés que dans la matrice de sol. La performance des plants quant à leur niveau d’accumulation s’est avérée intéressante pour le Cd (moyennes de 2,80 à 10,1 mg/kg) et le Zn (de 54,1 à 410 mg/kg). Ces éléments se sont accumulés surtout dans les parties aériennes des plantes, alors que le Cu et le Pb ont plutôt été stockés dans les racines. Les concentrations solubles avaient pour la plupart augmenté entre le début et la fin de l’expérience, et les différences entre ces concentrations et les concentrations totales, dans la rhizosphère et la matrice, ont démontré que le temps de réponse du sol pour fournir aux plantes les éléments biodisponibles n’était pas un facteur limitant du système dans la plupart des cas. Les concentrations initiales totales dans les sols ont été corrélées à celles dans les parties des plantes uniquement pour le Cu dans les tiges (R2 : 0,54) et les racines (R2 : 0,58) des saules. Les facteurs de fertilité ont permis d’expliquer une part de la variance des concentrations (10 % du total de 25 % pour le Cd, 49 % du total de 36 % pour le Cu-aérien, et 28 % du total de 71 % pour le Cu-souterrain) et des quantités (15 % du total de 30 % pour le Cd) accumulées. La contamination mixte (organique et inorganique) n’a pas entravé l’extraction des ET, ni la dégradation des composés organiques. / Phytoremediation is a relatively new, low cost and environmentally friendly alternative method to decontaminating soils. This research, which involved Salix purpurea plants and Glomus irregulare mycorrhizae, was conducted through the Génorem project in a greenhouse. We tested a treatment on soils, which were contaminated with moderate amounts of trace elements (TE) (Cd, Cu, Pb and Zn), as well as with organic compounds (on two levels of concentration). The objectives were 1) to study the effect of the introduced mycorrhizae on TE’s absorption process, as well as the general treatment efficiency; 2) to determine the influence of TE transfer and solubilization processes at work within the rhizosphere on their accumulation rates by the plants, and 3) to measure the impact of soil characteristics as well as the organic contamination on phytoextraction. The presence of inoculate mycorrhizae was not noticeable on the accumulation or transfer of TE, nor was it on the biomass production. However, soluble concentrations of Cu and Pb were less important in the soil rhizosphere of the inoculated soils than in the soil matrix. Plants performance in regard to their accumulation was considerable for Cd (average of 2,80 to 10,1 mg / kg) and Zn (from 54.1 to 410 mg / kg). These elements were mainly accumulated in aboveground tissues, while Cu and Pb were instead stored in the roots. Additionally, most of the soluble concentrations had increased between the beginning and the end of the experiment. This, combined with the differences between the soluble and total-recoverable concentrations in the rhizosphere and the matrix, showed that the soil’s response in terms of time to provide bioavailable TE to plants was not a limiting factor of the system in most cases. Total initial soil concentrations were only correlated to concentrations plant tissues in the case of Cu within stems (R2 : 0,54), and within roots (R2 : 0,58). Fertility and availability factors allowed to explain parts of the variance in concentrations (10% of the total 25% for Cd, and 49% of the total 36% for Cu-aboveground, and 28% of the total 71% for Cu-aboveground), and content (15% of the total 30% for Cd) accumulated. Mixed contamination (organic and inorganic) did not significantly impede the TE extraction, neither the organic compounds degradation.

Le changement d’occupation des sols contaminés est susceptible de modifier la nature et la quantité des matières organiques du sol (MOS). Les matières organiques sont connues pour avoir un rôle de source trophique pour les organismes des sols et un rôle de ligand vis-à-vis des éléments traces métalliques (ETM) dans les sols contaminés. Des changements de matières organiques dus aux changements d’occupation des sols contaminés peuvent modifier la spéciation des ETM et leur disponibilité. Mais dans ce cas, le rôle de la matière organique dans le déterminisme de la disponibilité des ETM est peu documenté. L’objectif du travail présenté dans cette thèse était de mettre en évidence le rôle des matières organiques dans la disponibilité des ETM, dans le cas de sols agricoles contaminés après un changement de cultures annuelles vers des cultures pérennes à vocation non-alimentaire. Le travail a concerné l’étude de la disponibilité du Cu, Pb, Zn et Cd dans les sols de deux sites différents en texture et en origine de pollution i.e. le site de Metaleurop (Nord de la France) avec des sols limoneux contaminés par des retombées atmosphériques et le site de Pierrelaye (Région Parisienne) avec des sols sableux contaminés par les apports d’eaux usées brutes de la ville de Paris. Le rôle de la matière organique a été étudié en travaillant 1) sur des échantillons de sols sous deux cultures différentes i.e. sous culture annuelle et culture pérenne à vocation énergétique miscanthus depuis trois ans, 2) sur les échantillons de sol avant et après incubation in vitro afin d’accélérer la minéralisation de la matière organique, et 3) sur des échantillons de sol avec et sans matières organiques particulaires (MOP) i.e. les fractions libres des MOS afin de mettre en évidence leur rôle spécifique. Une approche combinée d’évaluation de la disponibilité par des extractions chimiques des ETM et d’étude de la localisation des ETM dans des fractions granulométriques a été utilisée. Les résultats obtenus montrent que l’impact de l’occupation des sols (sous culture annuelle ou pérenne miscanthus) sur la disponibilité des ETM était différent pour les deux sites étudiés. Pour les sols du site de Metaleurop les résultats ont montré que la disponibilité de Cu et Pb diminuait sous miscanthus tandis qu’une augmentation de leur localisation dans les fractions fines était observée. Par contre aucun changement n’a été observé pour Zn ni Cd dans ce site. Au contraire pour les sols sableux riches en matières organiques de Pierrelaye le changement d’occupation a impacté la disponibilité de Zn et Cd tandis que celle de Pb et Cu n’a pas évolué. Les résultats des sols avant et après incubation montrent que l’impact de la minéralisation des MOS sur la disponibilité des ETM était site dépendant pour Pb et Cd alors que l’effet sur Cu et Zn était similaire pour les sols des deux sites. En travaillant sur les sols avec et sans MOP, nous avons pu observer que les MOP en tant que fraction organique libre participaient à la disponibilité des ETM telle qu’étudiée, et que une partie du cuivre lié aux MOP était disponible pour un organisme dans nos conditions. Ces résultats de disponibilités des ETM dans des sols qui varient avec la nature et la quantité des matières organiques sont discutés. / The changes in land use of contaminated agricultural soils are susceptible to modify their trace metal availabilities by changing the quality and quantity of soil organic matter. But the role of soil organic matter in the determinism of trace metal availabilities in contaminated soils is not well known. The objective of the present study was to assess the role of soil organic matter in determinism of trace metal availabilities and their dynamics in contaminated soils varying in their texture and nature of pollution. A strategy of studying Cu, Pb, Zn and Cd availabilities of two sites with different texture and origin of pollution was adopted and the role of organic matter was assessed through; 1) sampling the soils of two parcels at each site with two different land uses i.e. under annual crop and under perennial energy crop miscanthus, 2) changing the soil organic matter of these soils through in vitro soil incubations. A combined approach of chemical metal extractions and metal localization study in different soil size fractions was used. The results of the trace metal availabilities of the soil under miscanthus compared to annual crop soil showed that the influence of changes in organic matter through land use was different at both sites. In the silty clayed soil, the availability of Cu and Pb which are the metals known to be preferentially bound to organic matter was decreased with an increase in their localization in soil finer fractions. In the site with organic matter rich sandy soils the availability of metals which are known to be bound to soil mineral phases i.e. Zn and Cd was changed without a change in their localization. The results of laboratory incubation experiments revealed that the mineralization of soil organic matter affects the trace metal availability in two ways. Cu and Zn availabilities are changed in all soils whatever the texture while Pb and Cd availabilities changed only in sandy soils. This difference of the change of metal availabilities in both cases of organic matter variations i.e. between the soil samples under different land use and in the samples of laboratory incubations can be explained by the fact that the changes in organic matter were not similar in both cases. Our work on the metal enriched particulate organic matter (POM) fractions, the most labile organic matter fractions showed that POM act as source and sink of the metals in our conditions and POM associated copper is bioavailable in liquid medium but its bioavailability is less than the metal added as salt solution. These results, increasing the understanding of the role of soil organic matter in the determinism of trace metal availability in different textured soils, are discussed.

Cette étude est une contribution à l'étude de la dépollution des sols à l'aide d'une modélisation expérimentale. L'objectif du travail est d'étudier les processus physico-chimiques intervenant au cours du transport de polluants métalliques toxiques dans les sols soumis à un champ électrique. Les essais sont réalisés en laboratoire avec des sols obtenus à partir d'un mélange d'un sable de Fontainebleau avec une solution cationique de polluant. Les polluants étudiés sont des métaux amphotères dont le plomb(II), le chrome(III) et le zinc(II), avec des concentrations initiales variant de 0,1 à 10 g/l. Une tension électrique constante est appliquée au dispositif pendant un temps déterminé. L'analyse des teneurs de polluant sur différents endroits de la cuve à l'arrêt du traitement dans le sol montre que la répartition du polluant varie en fonction de la nature et de la concentration initiale du polluant utilisé. Ainsi, dans le cas du plomb, nous avons observé trois cas de figure : - une distribution plutôt homogène du plomb dans la cuve pour une concentration initiale de 0,1 g de Pb2+/1, consécutive à un faible déplacement du polluant, - un appauvrissement des zones anodique et cathodique, par rapport à la teneur initiale, avec accumulation du polluant au centre de la cuve pour 1 g de Pb2+/1, - un appauvrissement important des zones anodiques avec accumulation du polluant à la cathode pour 10 g de Pb2+/1. Les mesures de pH réalisées sur le sol et sur l'eau interstitielle à différents intervalles de temps ont mis en évidence deux mécanismes à l'origine du transport du plomb : un transport cationique à l'anode en présence de pH acides, suivi d'un transport anionique à la cathode pour des pH basiques. En effet, certains hydroxydes métalliques peuvent, sous des conditions de pH basiques, former des anions par réactions de dissolution. Cette propriété permet alors de « remobiliser » le plomb précipité à la cathode sous forme d'anions plombates et de concentrer le polluant dans les zones centrales du dispositif. L'action combinée de ces deux mécanismes de transport concentre la pollution, soit au centre de la cuve, soit à la cathode suivant la concentration initiale. Selon les cas, l'action d'un champ électrique permettrait de restreindre le volume de sol pollué à traiter ultérieurement ou à excaver. La mesure de la conductivité électrique de l'eau interstitielle met en évidence des variations de la concentration ionique dans le milieu liées au déplacement du polluant ou à sa précipitation. Les concentrations utilisées dans le cas du chrome et du zinc ont mis en évidence un transport sous une forme cationique. Aucun phénomène de « remobilisation » n'a pu être observé car les pH mesurés à la cathode ne favorisaient pas un transport important du polluant sous forme d'anions.

Ce travail a pour objectif de tester des solutions viables et durables pour la phytoremédiation de sols contaminés en éléments traces. Il inclut à la fois des données sur l'évaluation initiale et résiduelle des risques (biomonitoring) et sur des solutions de phytomanagement à long terme utilisant des plantes et microorganismes associés, en particulier la phytoextraction aidée couplant l’épuisement du pool labile de contaminants du sol, la production de matière première végétale et la restauration de services écosystémiques. La phytotoxicité du Cu, le rôle améliorant des amendements organiques et minéraux et la tolérance des plantes ont été examinés utilisant des essais biologiques ainsi qu’une technique de dilution du sol. L'utilité d’une lignée de mutant de tournesol (Helianthus annuus) et d’une lignée parental de tabac (Nicotiana tabacum) pour le biomonitoring de sols contaminés en Cu a été investiguée. Les paramètres biochimiques qui sont en relation avec le statut antioxidant des plantes et leurs réponses moléculaires à l’excès de Cu ont en général montré une plus grande sensibilité que les traits morphologiques. Le tabac est plus tolérant au Cu que le tournesol. Des bactéries endophytes issues de différentes sources, notamment des graines d’une population métallicole d’une graminée (Agrostis capillaris) peuvent stimuler la croissance du tournesol et du tabac aux expositions en Cu modérément en excès. Pour ces plantes annuelles, accumulatrices secondaires du Cu et à phénotype d’exclusion, l'augmentation de la capacité de phytoextraction de Cu par les parties aériennes s’effectue principalement par l’accroissement de la biomasse aérienne, plutôt que par celui de sa concentration en Cu. Par conséquent, une attention a été prêtée aux pratiques agricoles dans les essais en parcelles sur site. Plusieurs options d’amélioration ont été examinées in situ: l'application d’amendements du sol, l'utilisation de lignées de mutants et de variants somaclonaux, la rotation de cultures et des cultivars, la bioaugmentation, la fertilisation, l’irrigation, etc. Deux lignées de mutants et des cultivars commerciaux de tournesol ainsi qu’une lignée parentale de tabac ont montré un fort potentiel pour la phytoextraction du Cu, accompagné d’une production significative de graines et/ou autre biomasse valorisable. Les solutions de restauration écologique basées sur la phytoextraction, utilisant des plantes annuelles accumulatrices secondaires de Cu permettraient (1) la décontamination progressive des sols contaminés en Cu au cours des rotations culturales, (2) un retour financier lié à la valorisation de la biomasse végétale, et (3) la restauration de services écosystémiques. / This work aimed at assessing sustainable phytoremediation options for trace element-contaminated soils. It includes both the assessment of initial and residual risks (biomonitoring) and long-term sustainable decontamination options using plants and associated microbes, especially aided phytoextraction with the secondary purposes of producing plant-based feedstock and restoring ecosystem services. Copper phytotoxicity, the improving role of soil conditioners, and plant tolerance were tested using a bioassay as well as a fading technique. The usefulness of a mutant line of sunflower (Helianthus annuus) and a motherline of tobacco (Nicotiana tabacum) for the biomonitoring of Cu-contaminated soils was investigated. Biochemical parameters in relation to antioxidant status of plants and molecular responses to Cu excess generally showed a greater sensitivity than morphologic ones. Tobacco has a higher Cu tolerance than sunflower. Endophytic bacteria from various sources, notably from the seeds of metallicolous populations of grasses (Agrostis capillaris) can promote the growth of sunflower and tobacco exposed to Cu excess. For annual Cu-secondary accumulator plants with an excluder phenotype, increase in shoot Cu removal occurred primarily through increase in shoot biomass, rather than in shoot Cu concentration. Therefore, attention in field trials was paid to agricultural practices. Various improving options were tested in situ: application of soil amendments, the use of mutant lines and somaclonal variation, cultivars and crop rotation, bioaugmentation, fertilization, irrigation, etc. Two mutant lines and some commercial cultivars of sunflower as well as the motherline of tobacco showed a high potential for Cu phytoextraction as well as for plant-based feedstock. Ecological restoration options for Cu-contaminated soils based on phytoextraction using annual Cu-secondary accumulator plants with a high shoot biomass would (1) result in the progressive decontamination of Cu-contaminated soils during crop rotations, (2) provide a financial return through biomass valorization, and (3) promote ecosystem services.