Discussion générale

L’adsorption de surface et la précipitation sont des mécanismes majeurs de rétention des métaux dans les sols calcaires contenant des ÉTM (McBride, 1994; Bolan et al., 2003). La précipitation et la dissolution contrôlent l’activité des ions dans la solution du sol et par ricochet l’activité des ions sur les sites de sorption du sol (Lindsay et Catlett, 1998). Ces postulats expliqueraient la forte fixation du Pb dans le sol calcaire utilisé dans la présente étude. Les résultats du fractionnement du Pb dans les sols cultivés à la fin de la croissance du saule montrent des relations positives très hautement significatives (P≤0,001) entre les quantités de Pb total du sol et les fractions de Pb résiduelles (Pb fortement fixé, non mobile) extraites des sols cultivés (récolte 7) par les méthodes de Sidhu et al. (1977) et de Tessier et al. (1978) (r = 0,982 et 0,987, respectivement). Plus la valeur du Pb total du sol calcaire est élevée, plus la quantité de Pb résiduel sera élevée (Pb fortement fixé par les sites de sorption du sol).

Il est connu que les ÉTM dans les sols calcaires, qui sont fortement tamponnés due à la présence de carbonates, sont peu mobiles et non disponibles pour la plante (Wang et al., 2015). La disponibilité d’un métal lourd est influencée par les propriétés édaphiques dont le pH du sol et le contenu en carbonates du sol (Xian et Shokohiford, 1989; Bolan et al., 2003; De Conninck et Karam, 2008; Karam et Jaouich, 2009; Kabata-Pendias, 2011; Motior et al. 2011).

Dans un tel milieu, le métal est considéré comme immobile dans le sol (Kabata-Pendias, 2011; Dede et al., 2012). Il a souvent été mentionné que, d’une part, le Pb est relativement immobile dans un sol à pH > 6,5 (Rahman et al., 2013) et d’autre part, le pH du sol contrôle la solubilité du métal lourd dans le sol (Lindsay, 1979; Sparks, 2003; Alloway, 2012). Le pH influence directement l’efficacité du processus de phyto-extraction du métal (Rahman et al., 2013). D’un point de vue environnemental, il ne faut pas s’attendre à une libération de Pb importante puis sa diffusion dans l’environnement lorsque le pH du sol est tamponné à une valeur > 7,0. Ce postulat est appuyé par les relations inverses, très hautement significatives (P≤0,001) obtenues entre les valeurs de pH7 et celles des fractions

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par les méthodes de Sidhu et al. (1977) et de Tessier et al. (1978) (r = -0,973 et -0,961, respectivement). Plus la valeur du pH du sol est élevée, moins de quantité de Pb échangeable (mobile) sera libérée dans la solution du sol.

D’un point de vue nutritionnel, la présence d’une quantité élevée de Ca soluble dans le sol calcaire peut provoquer un phénomène d’antagonisme à l’égard du Pb (Antosiewicz, 2005). Un excès de Ca sous formes labiles peut diminuer la quantité du Pb prélevé par la plante par occupation excessive des sites d’échanges des racines (Antosiewicz, 2005). Dans un tel milieu, il ne faudrait pas s’attendre à une translocation interne importante du Pb. En effet, les résultats du premier cycle de croissance du saule (ajout de S0 seul aux sols) ont montré que les concentrations du Pb dans les feuilles des 5 récoltes successives (section 4.1) sont demeurées en deçà de la limite de détection du Pb par Fluorescence-X (<1 mg/kg), voir même en deçà de la limite de détection par Spectrophotométrie d’absorption atomique (<0,1 mg/kg). À la fin du cycle de croissance du saule (section 4.2), les résultats montrent que la concentration du Pb dans les feuilles ([Pb]feuilles) du saule

cultivé dans le sol témoin est toujours demeuré en deçà de la limite de détection du Pb. Par ailleurs, les résultats statistiques ont montré des relations inverses entre : i) [Ca]feuilles et

[Pb]feuilles de la 6e récolte (r = -0,942, P≤0,001), ii) [Ca]feuilles et [Pb]feuilles de la 7e récolte (r

= -0,400, non significatif), et iii) [Ca]racines et [Pb]racines de la 7e récolte (r = -0,561, P≤0,05).

En chimie des sols, il est connu que le chaulage (apport de CaCO3) réduit l’absorption du

Pb par les racines des plantes (Kabata-Pendias, 2011).

Bien que les quantités de S0 utilisées aient diminué légèrement les valeurs du pH des échantillons de sol après 340 jours de croissance du saule (5e récolte), celles-ci (pH5) sont

demeurées ≥ 6,95. Les sols ne présentaient pas des conditions acides pouvant solubiliser les métaux lourds. Plusieurs facteurs pourraient expliquer la faible baisse du pH pendant 340 jours, incluant le temps de réaction/oxydation lent (Chapman, 1989; Goulding, 2016), la surface spécifique des particules de S0 utilisées (Lee et al., 1988; Germida et Janzen, 1993), le pouvoir tampon élevé du sol (Freney, 1967; Nor et Tabatabai, 1977), les caractéristiques du sol (texture et contenu en matière organique, température du sol, potentiel hydrique) et l’état d’aération du sol (Yang et al., 2007; Kim et Chung, 2011), et la

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composition et l'activité de la communauté microbienne responsable de l’oxydation S0

présente dans le sol (Adamczyk-Winiarska et al., 1975; Germida et Janzen, 1993 ; Yang et al., 2010 ; Ullah et al., 2014).

Dans ces conditions (milieu non acide), tous les plants de saule ont produit une bonne biomasse aérienne (feuilles) grâce à l’action combinée de la fertilisation soufrée et minérale complète (N-P-K), démontrant ainsi l’effet bénéfique du S (Jamal et al., 2010; Grant et Hawkesford, 2015) sur la croissance des plantes supérieures, et de la fertilisation minérale de base (Labrecque et Teodorescu, 2005) sur la croissance des saules (Bakšienė et al., 2018; Sall, 2018; Lutes et al., 2019).

Dans un autre contexte où le niveau du Pb total devrait diminuer jusqu’à une valeur établie par une Loi sur la protection de l’environnement, la phyto-extraction induite du Pb prendrait toute son importance. Dans ce cas, la décontamination métallique partielle pourrait nécessiter la dissolution acide des carbonates afin de libérer une partie du Pb fixé. Dans ces conditions, il peut être utile dans le cas des sols pollués par le Pb contenant du calcaire actif d’apporter d’amendements acidifiants pour rehausser la phyto-extraction du Pb (Karam et Jaouich, 2009). L’ajout d’acides inorganiques forts comme l’acide sulfurique (H2SO4) est utile pour dissoudre rapidement les carbonates dans le sol (Ek, 1973). En effet,

l’application d’une quantité élevée de H2SO4 est capable d’attaquer les carbonates et de

consommer l’hydroxyde de calcium (Liu et Wang, 2014). Fusi et al. (2014) ont décrit la réaction entre le CaCO3 (solide) et une solution contenant du H2SO4 par une équation

cinétique d’ordre1. Ils ont trouvé que le taux de réaction dépendait de la densité superficielle du CaCO3 solide. En chimie des solutions, la réaction de dissolution du

CaCO3 est régie par le produit de solubilité des ions Ca2+ et CO32- selon la réaction de

dissolution suivante (Ek, 1973): CaCO3 ↔ Ca2+ + CO32- [éq. 1]

L’équation du produit de solubilité (en représentant entre parenthèses les activités ioniques) s’écrit comme suit:

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L’acide sulfurique étant un diacide fort, il se dissocie dans l’eau pour libérer des ions H+ et des ions sulfates, SO42-. Ainsi, lorsque l’on ajoute du H2SO4 à un milieu contenant du

CaCO3, les ions H+ sont capables de réagir efficacement avec l’ion CO32- pour former du

bicarbonate (Ek, 1977):

H+ + CO32- ↔ HCO3- [éq. 3]

Au fur et à mesure que les ions CO32- se consomment (i.e. réagissent avec les ions H+), une

nouvelle mise en solution du CaCO3 solide a lieu pour rétablir la valeur de la constante

kCaCO3 de l’équation 2 (Ek, 1977). La réaction finale s’écrit comme suit:

H2SO4 + CaCO3 = CaSO4 + H2O + CO2 [éq. 4]

De ce qui précède, nous pouvons émettre l’hypothèse que plus la quantité de CaCO3 est

importante, plus la quantité d’acide sera élevée pour neutraliser efficacement l’effet du CaCO3 actif dans le sol calcaire. En outre, il est important de souligner que le CaSO4 (éq.

4) est peu soluble et par conséquent, la vitesse de dissolution CaCO3 pourra être ralentie

progressivement en laissant un dépôt qui limitera le contact entre l'acide et le CaCO3 (Ek, 1977; Liu et Wang, 2014).

Dans la présente étude, l’efficacité et la rapidité de l’acide minéral à neutraliser l’effet alcalinisant de la phase carbonatée du sol calcaire cultivé, en l’espace de 132 jours, se sont révélées par l’obtention de valeurs de rapports pH7 (S0 + H2SO4) / pH1 (sans S0 et sans

H2SO4) et pH7 / pH5 (S0 seul) comprises entre 0,90 et 0,54, et entre 0,90 et 0,57,

respectivement. En raison de leurs teneurs en ions sulfates solubles, les doses de H2SO4 ont

augmenté la teneur du S dans les organes de la plante. Plusieurs travaux (Fraser, 1935; McCool et Johnson, 1938; Farrar et al., 1977) ont montré que les arbres peuvent accumuler de fortes concentrations de S dans leurs tissus.

D’une manière générale, on sait depuis longtemps que les plantes prélèvent une quantité de Pb beaucoup plus importante d’un sol acide que d’un sol peu ou non acide (McBride, 2013). Dans la présente étude, le saule a prélevé (7e récolte) une quantité de Pb significativement (P≤0,001) moins élevée du sol témoin (pH 6,56-6,58) que des sols

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fortement acidifiés (pH 4,00-5,68). La solution acide augmente de façon prononcée la somme des factions labiles et relativement labiles du Pb ([Pb]ECH + [Pb]DTPA + [Pb]HCl)

extraites des sols cultivés. Cette observation est appuyée par la relation inverse (r = -0,948;

P≤0,001) entre les valeurs de pH7 et celles de ([Pb]ECH + [Pb]DTPA + [Pb]HCl). Également, le

saule a prélevé d’autres éléments (Cu, Fe, Mn et Zn) en plus grande quantité des sols acidifiés, démontrant ainsi sa capacité à absorber et à accumuler de quantités importantes de nombreux éléments lorsqu’il est soumis à un environnement terrestre riche en H+ _dans

la solution du sol.

L’ajout de la solution H2SO4 avant les 6e et 7e récoltes du saule a permis d’augmenter

significativement le prélèvement (concentration x rendement) du Pb par les organes de la plante, plus particulièrement par les racines du saule, ce qui est en accord avec les observations faites par plusieurs auteurs. Le Pb s’accumule souvent dans la biomasse racinaire (Karam et Jaouich, 2008; Hladun et al., 2015) où il se lie à la surface des cellules membranaires (Påhlsson, 1989). En s’appuyant sur les résultats des travaux de Dushenkov et al. (1995) et de Reeves et Brooks (1983), Hu et al. (2010) mentionnent que le Pb est relativement immobile dans la plante en raison de phénomènes de précipitation sous forme de PbSO4 au niveau des racines et des feuilles. Il est à souligner que l’augmentation des

concentrations de Pb dans les organes du saule est tributaire de l’effet acidifiant du H2SO4

sur les fractions labiles totales du Pb ([Pb]ECH + [Pb]DTPA + [Pb]HCl), telles que confirmées

par les relations positives, très hautement significatives (P≤0,001), entre les valeurs de ([Pb]ECH + [Pb]DTPA + [Pb]HCl) et les valeurs de [Pb]feuilles (r = 0,987), [Pb]tiges (r = 0,931) et

[Pb]racines (r = 0,943) de la 7e récolte du saule.

Bien que le saule soit considéré comme une plante tolérante aux métaux lourds, sa croissance devient limitée et endommagée au-delà d’une certaine concentration, ce qui expliquerait l’effet délétère et toxique qu’ont eu les fortes doses de H2SO4 (321,6 et 643,2

mM) sur la croissance et le rendement en feuilles du saule. L’effet délétère de l’acide sulfurique peut être direct, dû à la présence d’une forte concentration d’ions H+ _{et indirect}

notamment par la libération d’une quantité élevée de métaux lourds qui deviennent toxiques pour la plante.

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CONCLUSION GÉNÉRALE

Les résultats obtenus durant la première période de croissance du saule (340 jours) mettent en évidence l’effet hautement bénéfique de l’apport combiné de S0 _{et d’engrais minéraux}

(N, P et K) sur le rendement en matière sèche des parties aériennes du saule. Dans les conditions expérimentales de l’étude, les doses de S0 _{utilisées n’ont pas acidifié le sol à des}

valeurs du pH en dessous de 6,5 durant cette première période de croissance du saule (340 jours). Les concentrations du Pb et des oligo-éléments métalliques ou ÉTM (Cu, Fe, Mn, Zn) dans les feuilles du saule n’ont pas causé de problèmes de phytotoxicité et sont en deçà des normes établies relatives aux matières résiduelles fertilisantes du MEDDP. Le sol calcaire présente peu de risque environnemental dû à la présence d’une concentration élevée de Pb total dans le sol, car celui-ci est sous forme très peu soluble dans l’eau du sol et immobile dans le sol alcalin. Le saule a accumulé des concentrations traces (en deça de la limite de détection) de Pb dans les feuilles pendant plus de 340 jours de croissance. Ces résultats démontrent d’une part, la valeur du saule en tant que plante tolérante aux ÉTM et d’autre part, comme plante stabilisatrice des métaux lourds lorsque les conditions édaphiques sont propices.

Dans le cadre du procédé de phyto-extraction d’éléments traces métalliques (ÉTM) de sols calcaires, le Pb susceptible d’être transféré, via la solution du sol, depuis la phase solide vers les végétaux, doit être mobilisable. Or, dans un sol développé sur roche-mère calcaire, la présence de carbonates constitue un facteur limitant la mobilité du Pb. L’élimination ou l’abaissement du niveau du Pb dans le sol calcaire nécessite la désorption du Pb du complexe adsorbant du sol, la dissolution des carbonates et des composés solides de Pb, la mise en solution du Pb et sa mise en disponibilité pour la plante. Toutefois, la phase carbonatée du sol est difficilement altérable. C’est dans ce contexte que la phyto-extraction induite utilisant l’acide sulfurique (H2SO4) comme agent acidifiant et le saule comme

plante couverture prend toute son importance. L’acide sulfurique, à action rapide et de longue durée, peut aussi apporter du S sous forme de sulfates utiles pour la croissance de la plante.

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Les résultats obtenus durant la deuxième période de croissance du saule (derniers 132 jours) dont les sols ont reçu des solutions de H2SO4 avant la 6e et la 7e récolte, nous

amènent à considérer que les doses de H2SO4 favorisent la libération du Pb de plusieurs

fractions chimiques du sol calcaire. L’acide ajouté en quantité importante est efficace pour dissoudre la phase carbonatée et par conséquent l’abaissement du pH du sol entraînant ainsi le relâchement d’une quantité importante du Pb total du sol et de sa mise en disponibilité pour la plante. Les quantités de Pb prélevées se retrouvent majoritairement dans les racines, ce qui vient appuyer l’hypothèse selon laquelle les racines du saule constituent à la fois un interface entre la rhizosphère et les parties aériennes de la plante, et une barrière protectrice pour cette dernière contre les effets délétères de la présence d’une quantité trop élevée de métal sous forme soluble dans le sol (Alva et Chen, 1995; Samsoe- Petersen et al., 2002; De Conninck, 2008; Aajjane et al., 2014).

Les résultats obtenus de la deuxième partie (phyto-extraction) indiquent qu’une partie importante du Pb présent dans le sol calcaire peut être mobilisée sous des conditions acides. Le pH du sol joue un rôle important dans le prélèvement et l’accumulation du Pb dans les parties du saule. Toutefois, un pH inférieur à 5,5 a tendance à produire un excès de prélèvement de Pb et d’autres métaux lourds provoquant un effet toxique chez la plante et une baisse considérable des rendements des parties aériennes vertes récoltables. Ceci est à prendre en considération lorsque l’on tente de diminuer la valeur du pH du sol calcaire riche en ÉTM en vue de favoriser le transfert sol-plante du Pb.

Cette recherche laisse présager l’intérêt de l’utilisation du saule dans la phyto-extraction induite du Pb dans les sols calcaires riches en ÉTM. Les résultats de la désorption séquentielle du Pb (extractibilité) des sols cultivés confirment l’effet marqué de l’acidification du sol sur la désorption du Pb. Dans le cas d’un traitement chimique ex-situ, l’acidification du sol calcaire par l’application de réactifs acides accroitrait considérablement la quantité de Pb extraite.

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Finalement, pour tirer des conclusions spécifiques d’ordre environnemental, il faudrait mener davantage de recherches similaires, notamment à l'échelle parcellaire, pour confirmer éventuellement les résultats obtenus présentement.

Également, il serait nécessaire, lors d’une éventuelle étude, d’analyser : i) les cinétiques d’évolution du S0_{, ajouté à différentes granulométries, dans le sol calcaire à long terme}

(plus de 5 ans) en fonction de plusieurs paramètres édaphiques, ii) l’effet de l’apport de S0

(différentes granulométries) sur le fractionnement des ÉTM dans le sol cultivés à tous les cycles de croissance de la plante et sur l’accumulation des ÉTM dans tous les organes de la plante, iii) l’effet de l’apport de petites doses de H2SO4 à long terme (plus de 5 ans) sur

plusieurs paramètres de croissance et physiologiques du saule et sur les prélèvements des métaux lourds , iv) les teneurs en Al des organes de la plante et dans les fractions chimiques du sol, et finalement d’expérimenter d’autres plantes accumulatrices de métaux.

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RÉFÉRENCES

Aajjane A., Karam A., Parent L.E. 2014. Availability of three phosphorus fertilizers to corn grown in limed acid-producing mine tailings. Journal of Bioremediation & Biodegradation, 5(4), 5 pp. Open access journal.

Abdelly C. 2007. Bioremédiation/Phytoremédiation. Université de Tunis. Institut Supérieur de l’éducation et de la formation continue. Département des sciences naturelles.

Aboukila E.F., Nassar I.N., Rashad M., Hafez M. Norton J.B. 2018. Reclamation of calcareous soil and improvement of squash growth using brewers’spent grain and compost. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 17: 390-397.

Adams S.A., Paparozzi E.T., Stroup W.W. 1998. Determining poinsettia nitrogen and sulfur fertilizer application rates based on chronometer and sensory panel ratings. HortTechnology, 8: 199-203.

Adler A., Dimitriou I., Aronsson P., Verwijst T., Weih M. 2008. Wood fuel quality of two Salix viminalis stands fertilised with sludge, ash and sludge-ash mixtures. Biomass and Bioenergy, 32: 914-925.

Adler A., Verwijst T., Aronsson P. 2005. Estimation and relevance of bark proportion in a willow stand. Biomass and Bioenergy, 29: 102-113.

AGRINOVA 2015. Adaptation de l’aménagement et de l’implantation de cannebergières biologiques sur sable sous les conditions du Saguenay–Lac-Saint-Jean Rapport final Projet: ACCORD-08-12. Québec, Canada.

Ahmad A., Abdin M.Z. 2000. Effect of sulphur application on lipid, RNA, protein content and fatty acid composition in developing seeds of rapeseed (Brassica campestris L). Plant Science, 150: 71-75.

Ahmad A., Abraham G., Gandotra N., Abrol Y.P., Abdin M.Z. 1998. Interactive effect of nitrogen and sulphur on growth and yield on rapeseed-mustard (Brassica juncea I. Czem and Coss and Brassica competris L.) genotypes. Journal of Agronomy and Crop Science, 181: 193-199.

Ahmad A., Abrol Y.P., Abdin M.Z. 1999. Effect of split application of sulphur and nitrogen on growth and yield attributes of Brassica genotypes differing in their time of flowering. Canadian Journal of Plant Science, 79: 175-180.

Ahmad P. 2015. Plant metal interaction: emerging remediation techniques. Elsevier, p. 652.

122

Ahmadipour F., Bahramifar N., Ghasempouri S.M. 2014. Fractionation and mobility of Cd and Pb in Iranian soils. Chemical Speciation and Bioavailability, 26: 31-36.

Al-Degs Y.S., El-Barghouthi M.I., Issa A.A., Khraisheh M.A., Walker G.M. 2006. Sorption of Zn (II), Pb (II), and Co (II) using natural sorbents: Equilibrium and kinetic studies. Water Research, 40: 2645-2658.

Al-Degs Y.S., Tutunji M.F., Baker H.M. 2003. Isothermal and kinetic adsorption behaviour of Pb2+ ions on natural silicate minerals. Clay Minerals, 38: 501-509.

Ali A., Arshadullah M., Hyder S.I., Mahmood M.A. 2012. Effect of different levels of sulfur on the productivity of wheat in a saline sodic soil. Soil and Environment, 31: 91-95 Ali H., Khan E., Sajad M.A. 2013. Phytoremediation of heavy metals--concepts and applications. Chemosphere, 91: 869-881.

Aljlil S.A., Alsewailem F.D. 2014. Adsorption of Cu & Ni on bentonite clay from waste water. Athens Journal of Natural & Formal Sciences, 1(March): 21-30.

Alloway B.J. 2012. Heavy metals in soils: Trace metals and metalloids in soils and their bioavailability. Springer Science & Business Media, p. 613.

Alva A.K., Chen E.Q. 1995. Effects of external copper concentrations on uptake of trace elements by citrus seedlings. Soil Science, 159: 59-64.

Alvarez-Ayuso E., García-Sánchez A. 2003. Sepiolite as a feasible soil additive for the immobilization of cadmium and zinc. The Science of the Total Environment, 305: 1-12. Amaya M.A., Jolly K.W., Pingitore N.E. 2010. Blood lead in the 21st Century: The sub- microgram challenge. Journal of Blood Medicine, 1: 71-78.

Amin H., Arain B.A., Jahangir T.M., Abbasi M.S., Amin F. 2018. Accumulation and distribution of lead (Pb) in plants tissues of guar (Cyamopsis tetragonoloba L.) and sesame (Sesamum indicum L.): profitable phytoremediation with biofuel crops. Geology, Ecology, and Landscapes, 2. https://doi.org/10.1080/24749508.2018.1452464

Anju M., Banerjee D.K. 2011. Associations of cadmium, zinc, and lead in soils from a lead and zinc mining area as studied by single and sequential extractions. Environmental Monitoring and Assessment, 176: 67-85.

Anthony F., Godfrey K. 2014. Simultaneous adsorption of Ni (II) and Mn (II) ions from aqueous solution unto a Nigerian kaolinite clay. Integrative Medicine Research, 129-141. Antosiewicz D.M. 2005. Study of calcium-dependent lead-tolerance on plants differing in their level of Ca-deficiency tolerance. Environ Pollution, 134: 23-34.

123

Argus G.W. 1986. The genus Salix (Salicaceae) in the Southeastern United States. American Society of Plant Taxonomists, 9: 1-170.

Aronsson P., Rosenqvist H., Dimitriou I. 2014. Impact of nitrogen fertilization to short- rotation willow coppice plantations grown in Sweden on yield and economy. BioEnergy Research, 7: 993-1001.

Arshad M. 2009. Phytoextraction du plomb par les Pélargoniums odorants : Interactions sol-plante et mise en place d’outils pour en comprendre l’hyperaccumulation. Laboratoire Écologie fonctionnelle et Environnement - EcoLab (Toulouse, France).

Arunakumara K.K.I.U., Walpola B.C., Yoon M.H. 2015. Phytoextraction de Co, Pb et Zn par bioaugmentation assistée : Une évaluation avec une bactérie solubilisant le phosphate isolé de mines contaminées par les métaux dans la région de Boryeong en Corée du Sud.