Bien que les deux expérimentations ne se soient pas exactement déroulées dans les mêmes conditions puisque la quantité de sol utilisée était différente (9 kg pour la co-culture contre 1 kg pour la phytoremédiation assistée par bioaugmentation) ainsi que la durée d’expérimentation (263 jours pour la première expérimentation contre 148 pour la seconde), les deux techniques étudiées sont comparées afin de déterminer celle qui semble la plus intéressante et la plus adaptée à l’objectif de recherche.
Premièrement, la co-culture entre MxG et le trèfle blanc présente des avantages pour son utilisation en phytoremédiation des technosols contaminés. Elle a montré son efficacité en rhizodégradation puisqu’elle permet d’entrainer, après 263 jours de culture, une dissipation significative des HAP totaux ainsi qu’une diminution de l’IRCC, comme MxG en monoculture. Comparée à la monoculture, la co-culture améliore la dissipation de certains HAP tels que le pyrène et l’anthracène. De plus, elle permet d’améliorer la qualité du technosol en diminuant son écotoxicité, contrairement à la monoculture de MxG.
Comme la monoculture de MxG, la co-culture augmente la densité des bactéries du technosol mais en plus, c’est la seule condition pour laquelle une augmentation significative de la densité des champignons du technosol et de la densité des bactéries Gram + dégradantes est montrée. Enfin, la deuxième expérimentation permet de montrer une augmentation de l’activité microbienne globale du technosol de manière plus importante que la monoculture de MxG et également une diminution de la biodisponibilité du zinc dans le technosol (2ème
expérimentation uniquement), contrairement à la monoculture, présentant donc un avantage pour la phytostabilisation du zinc dans le technosol.
L’inconvénient principal de la co-culture entre MxG et le trèfle blanc comparée à une monoculture de MxG est la mise en évidence d’une compétition pour les ressources entre les deux espèces végétales en mésocosme, conduisant à une diminution de la biomasse de MxG. Cependant cette biomasse en co-culture sur le technosol ne diffère pas de la biomasse de MxG en monoculture dans le sol témoin qui possède une quantité d’éléments nutritifs plus faible que le technosol. Deux autres inconvénients de la co-culture comparé à la monoculture sont, de plus, mis en évidence. Il s’agit premièrement d’une dissipation du fluoranthène plus importante en monoculture qu’en culture. En plus, la présence de trèfle blanc dans la co-culture semble induire une diminution la diversité bactérienne du technosol. Il serait nécessaire d’étudier les bénéfices / inconvénients de la co-culture sur site où le volume de sol serait moins contraint.
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La phytoremédiation par MxG couplée à la bioaugmentation par Streptomyces
globisporus présente aussi des avantages et des inconvénients par rapport à la monoculture
de MxG.
Premièrement, l’inconvénient majeur de la bioaugmentation est la contamination du technosol par le BaP. Une autre technique de récupération des bactéries en excluant le polluant doit donc être mise au point afin de ne pas écarter la bioaugmentation lors de prochaines recherches.
La bioaugmentation a, de plus, montré son efficacité sur du court terme en augmentant la population microbienne dégradante sur les deux premiers mois uniquement, mettant en évidence la nécessité de renouveler l’inoculation des bactéries plusieurs fois, même lorsqu’il s’agit de bactéries endémiques du technosol. De plus, la bioaugmentation ne permet ni d’augmenter la densité microbienne ni l’activité microbienne du technosol contrairement à la monoculture de MxG à la fin des 148 jours d’expérimentation. Enfin, la présence de bioaugmentation entraine une diminution de la croissance et de la biomasse de MxG comparé à la monoculture de MxG.
Le principal avantage de la phytoremédiation assistée par bioaugmentation est le nombre plus important de HAP dissipés comparé à la monoculture de MxG (phénanthrène, benzo(b)fluoranthène, pyrène et la somme des HAP en excluant le BaP). Il conviendrait donc de réitérer les expérimentations en bioaugmentation en employant une autre technique d’inoculation ce qui semble être le premier verrou relatif à cette méthode.
Enfin, la dernière méthode testée pour améliorer la phytoremédiation du technosol par MxG est l’association de la co-culture avec la bioaugmentation. Comme pour la phytoremédiation par MxG assistée par bioaugmentation, le principal inconvénient de cette technique est la contamination du technosol par du BaP. De plus, co-culture couplée à la bioaugmentation ne permet pas d’induire une dissipation des HAP ni d’augmenter la densité des bactéries dans le technosol contrairement à la monoculture de MxG. De plus, c’est pour cette condition que la croissance de MxG et sa biomasse foliaire est impactée de manière la plus importante par rapport à toutes les autres conditions.
Le principal avantage de la co-culture couplée à la bioaugmentation est l’augmentation de l’activité microbienne du sol, de façon plus importante que toutes les autres conditions. De plus, comme la co-culture et contrairement à la monoculture de MxG, la co-culture couplée à la bioaugmentation permet d’augmenter la densité des champignons dans le sol et entraine une diminution de la biodisponibilité du zinc et donc une amélioration de la phytostabilisation de cet ETM dans le technosol.
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D’après les résultats obtenus concernant la dissipation des HAP, la phytostabilisation des ETM et l’amélioration de la qualité du technosol, la co-culture apparaît, dans nos conditions expérimentales, comme la technique la plus intéressante pour améliorer la phytoremédiation des HAP et des ETM et améliorer la qualité du technosol par rapport à la phytoremédiation assistée par bioaugmentation.
De plus, lorsque l’on compare la mise en place des deux méthodes, la plantation de trèfle blanc est plus économique, plus rapide et plus simple à mettre en œuvre puisqu’il suffit de semer les graines de trèfle une seule fois, le trèfle étant une espèce vivace.
En revanche, la bioaugmentation nécessite de produire des bactéries en masse, tout en gardant une pression de sélection, de centrifuger les milieux de cultures pour ne récupérer que les bactéries sans le polluant, qui de plus ne s’est pas montré efficace et a provoqué une contamination plus importante du technosol. Cette production est donc plus onéreuse et plus fastidieuse à mettre en œuvre surtout que les résultats ont montré la nécessité de renouveler l’opération d’inoculation. De plus, transposer la bioaugmentation sur site nécessite une production de bactéries encore plus importante. Par ailleurs, des études ont montré que même si la bioaugmentation s’avère efficace au laboratoire, une biodégradation réussie sur le terrain est souvent plus difficile à réaliser (Glick, 2010), montrant encore une autre difficulté de la phytoremédiation assistée par bioaugmentation
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Conclusion & perspectives
L’objectif de ce travail de thèse a consisté à étudier des voies d’amélioration de la phytoremédiation par MxG. Pour cela, les capacités de remédiation (dissipation des HAP, stabilisation des ETM, amélioration de la qualité du technosol, augmentation de la biomasse valorisable, etc.) de MxG en co-culture avec du trèfle blanc ou de MxG en bioaugmentation avec des microorganismes endémiques présentant un potentiel de dégradation des HAP ont été comparées à l’évolution naturelle du technosol et à sa phytoremédiation par MxG seul. Les résultats obtenus ont montré une croissance des deux espèces végétales : MxG et le trèfle blanc sur le technosol. De plus, grâce aux teneurs élevées en éléments nutritifs dans le technosol, ce dernier a eu un effet positif sur le développement de MxG, sa biomasse y étant significativement plus importante que dans le sol standard non contaminé. Par ailleurs, l’absence de transfert des contaminants vers les deux espèces végétales permettra de faciliter la valorisation de la biomasse de MxG et ne pas avoir à gérer spécifiquement celle du trèfle blanc. Concernant MxG, plusieurs voies de valorisation pourront être envisagées lorsqu’il sera en culture sur site, et notamment la combustion de ses tiges puisque leur analyse n’a pas montré de contre-indication à cela.
Du point de vue de la phytoremédiation, MxG en monoculture ou en co-culture avec le trèfle blanc et même le trèfle blanc « seul » ont montré leur efficacité en rhizodégradation puisqu’une dissipation significative des teneurs en HAP totaux a été montré en présence des végétaux après 263 jours de culture. De plus, la présence des végétaux a entrainé une diminution significative de l’indice de risque cumulatif de cancer (IRCC) comparé à la condition « non planté ».
Le bon développement des végétaux et la rhizodégradation des HAP sur le technosol montrent la possibilité de remédier des sédiments excavés par phytoremédiation après les avoir mélangé à du sol, ouvrant ainsi une nouvelle voie de valorisation des sédiments excavés. Les résultats obtenus avec la co-culture ont également permis de mettre en évidence des avantages de cette condition par rapport à la monoculture de MxG. En effet, après la culture simultanée des deux espèces végétales, une meilleure dissipation de deux HAP : le pyrène et l’anthracène a été montré, ainsi qu’une amélioration de la qualité du technosol via une diminution de son écotoxicité, une augmentation de la densité de bactéries Gram positif dégradants les HAP et une augmentation de l’activité microbienne globale du technosol (2ème
expérimentation) en comparaison avec une monoculture de MxG. De plus, la co-culture a permis de diminuer la biodisponibilité du zinc dans le technosol (2ème expérimentation uniquement), contrairement à la monoculture, présentant donc un avantage pour la phytostabilisation du zinc dans le technosol.
Cependant, la co-culture présente également des inconvénients par rapport à la monoculture. Le principal est la mise en évidence d’une compétition pour les ressources entre les deux espèces végétales en mésocosme, conduisant à une diminution de la biomasse de MxG.
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Toutefois, cette biomasse en co-culture dans le technosol ne diffère pas de la biomasse de MxG en monoculture dans le sol témoin qui possède une quantité d’éléments nutritifs plus faible que le technosol. Cette compétition pourrait peut-être être résolue en plantant les deux espèces sur site où le volume de sol serait moins contraint. Deux autres inconvénients de la co-culture comparé à la monoculture ont, de plus, été mis en évidence. Il s’agit premièrement d’une dissipation du fluoranthène plus importante en monoculture qu’en co-culture et deuxièmement, la présence de trèfle blanc dans la co-culture semble induire une diminution la diversité bactérienne du technosol.
La phytoremédiation par MxG couplée à la bioaugmentation par Streptomyces
globisporus présente aussi des avantages et des inconvénients par rapport à la monoculture
de MxG.
Premièrement, l’inconvénient majeur de la bioaugmentation est la contamination du technosol par le BaP. Une autre technique de récupération des bactéries en excluant le polluant doit donc être mise au point afin de ne pas écarter la bioaugmentation lors de prochaines recherches. La bioaugmentation a, de plus, montré son efficacité sur du court terme en augmentant la population microbienne dégradante sur les deux premiers mois uniquement, mettant en évidence la nécessité de renouveler l’inoculation des bactéries plusieurs fois, même lorsqu’il s’agit de bactéries endémiques du technosol. De plus, la bioaugmentation ne permet ni d’augmenter la densité microbienne ni l’activité microbienne du technosol contrairement à la monoculture de MxG à la fin des 148 jours d’expérimentation. Enfin, la présence de bioaugmentation entraine une diminution de la croissance et de la biomasse de MxG comparé à la monoculture de MxG.
Le principal avantage de la phytoremédiation assistée par bioaugmentation est le nombre plus important de HAP dissipés comparé à la monoculture de MxG (phénanthrène, benzo(b)fluoranthène, pyrène et la somme des HAP en excluant le BaP).
La co-culture couplée à la bioaugmentation n’a pas permis d’induire une dissipation des HAP ni d’augmenter la densité des bactéries dans le technosol contrairement à la monoculture de MxG. De plus, c’était pour cette condition que la croissance de MxG et sa biomasse foliaire est impactée de manière la plus importante par rapport à toutes les autres conditions.
Le principal avantage de la co-culture couplée à la bioaugmentation est l’augmentation de l’activité microbienne du sol, de façon plus importante que toutes les autres conditions. De plus, comme la co-culture et contrairement à la monoculture de MxG, la co-culture couplée à la bioaugmentation permet d’augmenter la densité des champignons dans le sol et entraine une diminution de la biodisponibilité du zinc et donc une amélioration de la phytostabilisation de cet ETM dans le technosol.
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D’après les résultats obtenus concernant la dissipation des HAP, la phytostabilisation des ETM et l’amélioration de la qualité du technosol, la co-culture apparaît comme la technique la plus intéressante par rapport à la phytoremédiation assistée par bioaugmentation. De plus, la plantation de trèfle blanc en co-culture est plus économique, plus rapide et plus simple à mettre en œuvre que la bioaugmentation.
Les résultats suggèrent donc que les associations végétales sont une voie à développer pour améliorer la phytoremédiation et la qualité des sols contaminés.
La co-culture entre MxG et le trèfle blanc serait intéressante à tester sur site et sur plusieurs cycles végétaux afin d’étudier les interactions entre les deux espèces végétales et les contaminants des sols. D’autres associations pourraient être testées avec MxG, et notamment associer une espèce accumulatrice dans le but de traiter à la fois les HAP par rhizodégradation avec MxG mais également d’extraire les ETM par phytoextraction avec une espèce accumulatrice connue et/ou endémique du technosol, comme par exemple Tussilago farfara pour le zinc (Wechtler et al 2019) (Annexe B).
Les politiques publiques pourraient trouver dans la phytoremédiation des sols contaminés grâce à MxG en co-culture avec le trèfle blanc un outil de gestion des friches dont elles ont hérité. L’utilisation de ces techniques peu coûteuses amorcerait ainsi la dépollution des sols en attendant leur requalification.
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Annexes
Annexe A : Article publié dans le journal "Journal of Soils and Sediments" en
mai 2020.
https://doi.org/10.1007/s11368-020-02648-6
Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) dissipation from a contaminated technosol composed of dredged sediments with Miscanthus x giganteus and Trifolium repens L. in
mono- and co-culture
Laura Wechtler (1), Sonia Henry (1), Jaïro Falla (1), Louise Walderdorff (1), Antoine Bonnefoy (2), Philippe Laval-Gilly (1)
(1) Université de Lorraine, INRA, LSE, F-54000 Nancy, France
(2) Université de Lorraine, IUT de Thionville-Yutz, F-57970 Yutz, France
Abstract
Purpose Dredged sediments from waterways are often contaminated due to human activities. We tested an original remediation method consisting of mixing dredged contaminated sediments with contaminated soil to create a technosol and establish a phytoremediation technique. The objective was to determine if the Miscanthus x giganteus (MxG) and white clover co-culture could improve the PAH dissipation compared to monoculture.
Materials and methods MxG and white clover were tested in mono and co-culture on a technosol composed of sediments and soil in mesocosm during 263 days (a life cycle of MxG until its senescence). PAHs measurements and ecotoxicity and genotoxicity tests were performed at the beginning (T0) and the end (TF) of the phytoremediation experiment.
Results and discussion PAH removal varied according to the planting patterns and the PAHs involved, but overall, the presence of vegetation significantly induced dissipation of total PAHs in the technosol. After 263 days of culture, 26.24% of the total 16 priority PAHs were removed with white clover monoculture, 29.27% with co-culture, and 31.65% with MxG monoculture. Moreover, after 263 days of culture, the Index of Additive Cancer Risk (IACR) values were 4.26 for the non-planted technosol, 3.43 for MxG monoculture, 3.31 for white clover monoculture, and 3.43 for co-culture. The different planting patterns improved the decrease of the IACR values in the technosol compared to the non-planted technosol, even if it remained above the reference value. Furthermore, co-culture significantly enhanced the dissipation of pyrene and anthracene and decreased the technosol ecotoxicity in contrary to MxG monoculture.
Conclusion The present study showed the possibility to remediate dredged sediments after mixing them with soil, thus opening a new way to clean up contaminated excavated sediments. The presence of vegetation significantly promoted the dissipation of the total 16 priority PAHs and improved the decrease of the IACR values. Co-culture was more efficient for the dissipation of specific PAH, such as pyrene and anthracene, compared to MxG monoculture. Moreover, the co-culture improved the decrease of the technosol ecotoxicity contrarily to other planting patterns.
Keywords: Miscanthus x giganteus, Trifolium repens L., phytoremediation, PAHs, co-culture,
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1. Introduction
Sediment excavation is often necessary to improve watercourse flow conditions, prevent flooding, and restore waterways. However, dredged sediments can be contaminated with various organic contaminants such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and inorganic contaminants such as trace metals due to human activities. Remediation with conventional physicochemical techniques is effective but often not economically feasible, therefore, sediments are disposed of in confined landfills (Touzé 2013). However, this management mode is not sustainable. New solutions are needed. To improve the value of contaminated sediments, we mixed them with contaminated soil to create a technosol and to establish a phytoremediation technique. The goal is to remediate both sediments and soil of the host site. Furthermore, the addition of soil in dredged sediments will improve its structure and its agronomic quality for better plant development. Phytoremediation uses plants and their associated microorganisms to remove, stabilize, or degrade pollutants from soil, sediment, water, and air (Khan 2005; Ma et al. 2016). Unlike classic physicochemical remediation techniques, phytoremediation is an environmental-friendly technique since it improves the soil's structure and fertility. It is also cost-effective and well accepted by the public (Ali et al. 2013; Oyuela et al. 2017). PAHs phytoremediation involves organic pollutants biodegradation in plant rhizosphere - the soil directly influenced by plant roots. Rhizodegradation may involve the activities of both the plant and its rhizospheric microorganisms (Olson et al. 2008). Plant promoted biodegradation is considered as the major pathway for phytoremediation of PAH-contaminated soils (99% according to Meng et al. (2011); >99.7% according to Gao and Zhu (2004) while plant uptake was a minor contribution for PAH removal (Gao and Zhu 2004; Meng et al. 2011).
The plant used in this study is Miscanthus x giganteus (MxG). This plant is a sterile rhizomatous perennial grass, which can grow on a large variety of soils, including soils contaminated by trace metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). MxG does not require any addition of fertilizers (Lewandowski and Heinz 2003; Nsanganwimana et al. 2014). Used in phytoremediation, MxG can promote bacteria capable of degrading PAHs (phyto/rhizodegradation) (Técher et al., 2012). It can accumulate trace metals in its roots without transferring it to its shoots (phytostabilization) (Laval-Gilly et al. 2017). Moreover, an advantage of the use of this plant is its high biomass production, which can be used for combustion, as biofuel, bedding for animals, etc (Nsanganwimana et al. 2014)
In order to improve the PAHs dissipation in the technosol, a co-culture was tested between MxG and
Trifolium repens L. (white clover). Indeed, many studies showed a dissipation of PAHs such as pyrene,
phenanthrene, and the 16 US EPA PAHs in soils planted with white clover (Xu et al. 2006, 2009; Meng et al. 2011). Moreover, certain co-cultures facilitate the phytoremediation of PAH-contaminated soils over monocultures (Xu et al. 2006; Wei and Pan 2010; Meng et al. 2011). Studies showed an increase of PAHs dissipation when white clover was in mixture with other plants species such as maize (Zea mays) (Xu et al. 2006) or celery (Apium graveolens) or ryegrass (Lolium perenne) or white clover in mixture with ryegrass and celery (Meng et al. 2011). Furthermore, white clover does not accumulate trace metals in its shoots (Bidar et al. 2007) and can form a vegetal cover on trace element contaminated soils (Bidar et al. 2007). Moreover, its small size should not interfere with the MxG harvest and neither enter in competition for light.
The objective of this study is to determine if the co-culture between MxG and white clover can increase PAHs dissipation compared to monocultures. To check this hypothesis, this experiment was realized in