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Sites contaminés par les métaux : un modèle d'étude pour des recherches innovantes

Bastien Lange, Olivier Pourret et Michel Pierre-Faucon, chercheurs à l'unité HydrISE (Hydrogéochimie et Interactions Sol Environnement) présentent les recherches en cours en matière de phytoremédiation à Institut Polytechnique LaSalle Beauvais.

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La contamination des sols par les métaux augmente à la surface de la terre, se positionnant au cœur d'enjeux environnementaux et sanitaires. Dans ce contexte, des sols métallifères secondaires, initialement sains, sont apparus. La teneur en métaux de ces sols peut être 1.000 fois supérieure à celle de sols normaux, représentant une contrainte très importante pour la végétation, et une importante source de pollution. Il est nécessaire à ce jour de remédier à ces pollutions, par l'utilisation de méthodes novatrices et respectueuses de l'environnement comme les procédés de phytoremédiation. La mise en œuvre de ces techniques nécessite l'utilisation de plantes tolérantes aux métaux relativement peu nombreuses.

Des plantes hyperaccumulatrices

Les hyperaccumulatrices de Cuivre (Cu) et de Cobalt (Co) (>300 mg/kg matière sèche) constituent un groupe remarquable de plantes dont l'écologie et l'évolution de la tolérance et de l'accumulation de ces métaux restent très mal comprises. En particulier, une grande variation des concentrations foliaires en Cu et Co est observée entre les espèces, les populations, voire au sein des populations, chez la majorité des hyperaccumulatrices de Cu et Co. Une combinaison particulière de conditions physico-chimiques à l'échelle de la rhizosphère et peut-être microbiologiques, semble nécessaire pour que l'hyperaccumulation des métaux dans les plantes ait lieu.

De plus, les matériaux végétaux à haute concentration en métaux présentent des perspectives de valorisation très prometteuses. En effet, ces matrices organiques à haute concentration en métaux peuvent être utilisées comme catalyseurs en chimie organique industrielle. Un exemple très encourageant est celui du zinc (Zn2+) hyperaccumulé par Noccaea caerulescens, qui peut être employé après une purification minimale (i.e., traitement thermique, traitement acide et filtration) comme catalyseur de réactions chimiques organiques. Il importe donc de maîtriser l'ensemble des facteurs déterminant la composition de ces tissus en métaux, afin de pouvoir garantir la qualité et la reproductibilité du matériau.

Lancement d'études scientifiques

Pour ce faire, plusieurs unités de recherche ont lancé un projet dont l'objectif premier est de connaître et de caractériser les facteurs pédogéochimiques qui influencent la disponibilité et la phytotoxicité du Cu et du Co. Des études récentes, réalisées en partenariat entre l'Université Libre de Bruxelles (Belgique), AgroBioTech Gembloux, l'Université de Liège (Belgique), l'Université de Lubumbashi (RD Congo) et l'Institut Polytechnique LaSalle Beauvais (France), ont permis une première caractérisation des différentes formes chimiques (i.e., fractionnement) du Cu et du Co dans les sols métallifères du Katanga. Le Co semblerait être fixé en partie par les oxydes de manganèse, contrairement au Cu qui est fixé préférentiellement aux oxydes de Fe et à la matière organique. La disponibilité de Cu et Co dans ces sols semble être régulée de manière différente et conduit à des disponibilités apparentes difficiles à prévoir à partir des teneurs totales du sol.

La démarche scientifique suivie repose sur l'échantillonnage d'une collection de populations de l'espèce Anisopappus chinensis (L.) Hook. f. & Arn. (Asteraceae), choisit comme espèce modèle, qui colonise des sols riches en Cu et en Co du sud de l'Afrique Centrale, présentant des caractéristiques géochimiques contrastées (i.e., concentrations en métaux, teneurs en matières organiques, pH…). Ainsi, la caractérisation de l'accumulation du Cu et Co chez cinq populations métallicoles d'Anisopappus chinensis in situ se développant dans des contextes pédogéochimiques contrastés, a été réalisée. Les analyses minérales des sols récoltés dans la rhizosphère des mêmes plantes, ont permis d'estimer le fractionnement du Cu et du Co dans ces sols. Ceci a permis de mettre en évidence l'importance de certains facteurs du sol pour expliquer les variations des concentrations en Cu et en Co dans la plante. Pour faire suite à cette étude de terrain, la mise en culture en conditions contrôlées d'une population de référence d'A. chinensis, à trois concentrations en Cu et Co et un total de 36 traitements, a permis  de tester expérimentalement les résultats in natura et examiner l'influence des oxydes de fer et de manganèse et de la matière organique, sur la mobilité et l'accumulation du Cu et du Co. Ces travaux s'inscrivaient dans le cadre du projet Solmetplant financé par la SFR Condorcet (FR CNRS n°3417) en collaboration avec l'Université de Reims Champagne Ardenne. Ces deux études ont confirmé la complexité de la disponibilité réelle des métaux dans les sols et de son estimation. La matière organique semblerait être un facteur essentiel de la mobilité du Cu et du Co dans les sols. Cependant, les variations d'accumulation ne sont pas nécessairement expliquées par une variation de mobilité. La variation génétique inter- et intra-populationnelle de l'accumulation et de la tolérance au Cu et au Co pourrait également expliquer le phénomène.

Des perspectives de valorisation de la biomasse des populations les plus accumulatrices de Co et de Cu se dessinent en collaboration avec l'unité de Claude Grison (Laboratoire de Chimie Bio-inspirée et d'Innovations Ecologiques, FRE CNRS-UM2 3673). Une méthode novatrice basée sur la récupération des métaux présents en des concentrations élevées dans la biomasse produite via la phytoextraction de sols contaminés en Cu et Co sera ainsi explorée. La technique est basée sur l'utilisation directe de cations métalliques issus de la minéralisation de la biomasse comme catalyseurs (appelés écocatalyseurs) dans la synthèse de molécules organiques à haute valeur ajoutée (molécules plates-formes aromatiques, hétérocycles, structures cycliques chirales) trouvant des applications dans les secteurs de la biocosmétique, des biopesticides, les médicaments à bas coût ou encore comme intermédiaire clé de l'industrie chimique.

Avis d'expert proposé par Bastien Lange, Olivier Pourret et Michel Pierre-Faucon de l'Institut Polytechnique LaSalle Beauvais

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