Exposition des végétaux aux particules métalliques

2.2.1.

Exposition des végétaux aux retombées atmosphériques de

particules issues de l’usine de recyclage

Dans le cadre des expositions de végétaux aux retombées atmosphériques de particules issues des activités de l'usine de recyclage, la laitue et le ray-grass ont fait l'objet d'une étude comparative. Deux expérimentations distinctes ont alors été effectuées (1) des expositions foliaires et (2) des expositions racinaires.

Concernant les expositions foliaires, 45 plants ont été placés dans la cour de l'usine et exposés pendant 6 semaines aux retombées. La teneur en plomb dans le sol de référence utilisé a été mesurée et reste inférieure à 25,5 ± 1,6 mg.kg−1 _{de sol sec après exposition.}

Pour les expositions racinaires, les plants ont été placés individuellement dans des pots de 5 L contenant chacun 4 kg de sol collectés en proximité de l'usine. Les caractéristiques physico-

chimiques du sol utilisé avaient été précédemment déterminées : pH eau = 8,5 ; CEC = 6,9 cmol(+).kg- 1 _{; quantités de matières organiques et de carbonates (CaCO}

3) = 6 et 4 g.kg-1 respectivement. La concentration en Pb retrouvée dans le sol est [Pb] = 2000 mg.kg-1_{. Afin d'éviter toute contamination} des feuilles, les plants ont été cultivés au laboratoire en atmosphère non polluée pendant 6 semaines. 25 plants de chaque espèce ont été utilisés pour l'étude. La luminosité, la température, l'humidité relative ainsi que la pluviométrie ont été contrôlées pendant toute la durée de l'expérience afin d'avoir des conditions d'exposition similaires pour les deux expérimentations.

Après exposition, 10 plants de chaque espèce ont été récoltés pour chacune des expérimentations et la biomasse des feuilles fraîches a été mesurée. Seules les parties aériennes des végétaux ont été étudiées dans le but de se concentrer uniquement sur les parties consommables et l'évaluation des risques sanitaires induit par leur consommation.

Le chou commun (Brassica oleracea) a été utilisé afin d’évaluer l’effet de la concentration en cires épicuticulaires (cires de surface servant de première barrière aux agents pathogènes) sur l’accumulation et le transfert des métaux dans les feuilles. Pour cela, nous avons appliqué sur la moitié de nos plants, un traitement chimique permettant de réduire la concentration en cires de surface. Ce traitement consiste en l’application d’un mélange de 20 ml de solution d’acide trichloracétique (TCA, 10-4 _{g/g) à raison d’une fois par semaine dans les sols comme décrit dans la} littérature (Macey, 1974 ; Garrec et al., 1995 ; Rzepka, 2008). Ces auteurs ont montré que le TCA pouvait être utilisé en tant qu’inhibiteur des voies de synthèse des cires épicuticulaires, notamment chez l’espèce Brassica oleracea, diminuant ainsi la production des cires de 60%. La concentration en TCA utilisée ici correspond à la concentration optimale pouvant être introduite dans les sols sans causer d’effet toxique ni de modification morphologique chez les individus (Rzepka, 2008). Pour l'étude, 30 plants non traités et 30 plants traités par du TCA ont été cultivés. Après 6 semaines d’exposition, 10 plants non traités et traités par le TCA ont été récoltés. 5 plants témoins ont également été exposés en dehors du panache des retombées du site dans des conditions similaires puis récoltés pour les analyses futures.

Pour l'ensemble des études, les végétaux ont été placés dans la cour de l'usine à proximité du dispositif de collecte des particules et disposés à 1 mètre de hauteur afin d'éviter l’influence du ré- envol des poussières de sol. Le temps d’exposition a été fixé à 6 semaines afin de pouvoir comparer les résultats à ceux des études précédentes (Uzu et al., 2010).

2.2.2.

Expositions des végétaux à des particules modèles en en

conditions contrôlées

Les expositions des végétaux à des particules modèles représentatives des émissions industrielles ont été poursuivies en conditions contrôlées (température, humidité relative, luminosité, concentrations en particules déposées sur les feuilles,…) afin, d’une part, d’étudier l’influence de la nature des particules sur l’accumulation et le transfert des métaux dans les feuilles de végétaux. D’autre part, ces expositions ont permis d’évaluer les impacts physiologiques et phytotoxiques des différents métaux ainsi que leur bioaccessibilité lors du transfert foliaire. Différentes particules métalliques typiques des émissions industrielles ont été sélectionnées afin d’évaluer les impacts physiologiques et phytotoxiques relatifs aux métaux dans les feuilles des végétaux. Pour l’ensemble des études effectuées, les particules suivantes ont été utilisées : PM-Pb (particules provenant de l’usine de recyclage), PbSO4, CdO, CuO, ZnO et Sb2O3. Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques physico-chimiques propres à chacune des particules monométalliques utilisées (Tableau 6).

Tableau 6. Caractéristiques physico-chimiques des particules monométalliques utilisées pour l’étude de l’accumulation et du transfert foliaires des métaux dans les végétaux.

Taille (µm) Surface spécifique (m².g-1) Solubilité dans l’eau, 20°C (mg.L-1) Pureté (%) Masse moléculaire (g.mol-1) PbSO 4 < 10 (PM10) N.D. 42,500 99,999 303,25 CdO < 1 (PM₁) 4,3 0,227 99,500 128,41 Sb 2O3 < 0,25 (PM1) 15,6 0,017 >99,900 291,52 ZnO < 0,1 (PM_0.1) 15,0-25,0 1,600 >99,000 81,39 CuO < 50 nm 29,0 0,001-0,002 99,999 79,55

 Des premières expérimentations en conditions contrôlées ont été réalisées sur le chou commun (Brassica oleracea) afin d'évaluer les effets phytotoxiques des particules et le rôle des cires épicuticulaires. Les dépôts secs de particules ont été réalisés à l’aide d’un pinceau, à raison de 10 mg de particules pour 3 plants permettant d’avoir une concentration comparable aux dépôts atmosphériques mesurée pour les plants exposés dans la cour de l’usine (~30 µg/m3_{). L’intérêt des} dépôts secs était de pouvoir travailler sur la partie insoluble car la plus représentative des particules collectées. La moitié des plants de choux a été traitée avec une solution d’acide trichloroacétique TCA afin de poursuivre nos investigations concernant les effets liés à la concentration en cires épicuticulaires des feuilles. Pour cette étude, un total de 72 plants témoins compris (3 réplicats par condition) a été placé dans une chambre d’exposition permettant le suivi de l’humidité, de la

luminosité et de la température comme présenté sur le schéma du dispositif d’exposition Figure 18. Des prélèvements de feuilles ont été effectués 5, 10 et 15 jours après exposition aux particules pour analyse. 24 plants de chou (Brassica oleracea) ont également été contaminés par des particules de PbSO4 et exposés pendant 30 et 45 jours afin de déterminer leur impact sur la composition des cires épicuticulaires.

Figure 18. Schéma du dispositif expérimental d’exposition des plantes en conditions contrôlées.

 Une étude comparative entre le chou et l'épinard a été réalisée dans le but d'investiguer d'une part les différences d'accumulation dans le compartiment foliaire selon la nature du métal et de déterminer les quantités de métaux bioaccessibles par l'organisme. Plusieurs types de particules ont été choisis pour répondre aux objectifs : PM-Pb, CdO, ZnO et Sb2O3. Les végétaux ont été exposés à 300 mg de particules pendant 3 semaines, à raison de 100 mg par semaine. Les particules métalliques ont été déposées sur les feuilles à l'aide d'un pinceau, préalablement humidifié (eau déminéralisée) avec un vaporisateur afin d'assurer un étalement homogène des particules sur l'ensemble de la surface tout en évitant une perte de matière par ruissellement (Kinnersley et al., 1997; Hurtevent et al., 2013). Après exposition, les feuilles sont récoltées pour analyse.

 Enfin, le chou et la laitue ont été exposés à des particules de CuO afin de déterminer les cinétiques de transfert de Cu en fonction du temps d'exposition et de l'espèce végétale considérée. L'évaluation des impacts phytotoxiques en relation avec la spéciation du cuivre a été regardée au travers de différentes concentrations métalliques par le suivi des paramètres de biomasse des végétaux (longueur et nombre de feuilles, masses fraiches et sèches des racines et feuilles, teneur en eau) et d'activité photosynthétique (échanges gazeux, photosynthèse nette, conductivité

stomatale). Les végétaux ont été exposés à trois concentrations de particules de CuO déposées à sec à l'aide d'un pinceau :

 0 mg correspondant aux plants témoins,

 10 mg correspondants à la concentration en Cu retrouvée dans les retombées atmosphériques de l'usine de recyclage (Schreck et al., 2012a)

 et 250 mg représentants des conditions extrêmes de pollution atmosphérique pouvant être observées dans des sites fortement pollués (Adrees et al., 2015 ; Deng et al., 2004).

Les plants ont été récoltés 5, 10 et 15 jours après exposition pour analyse.

Pour les deux études ci-dessus, les plants ont été disposés dans un phytotron (chambre d'exposition) permettant le contrôle de la luminosité, de l'humidité et de la température Ainsi, les plants ont été soumis à un cycle jour (16h) / nuit (8h) à une température de 25 ± 2°C / 20 ± 2°C, à une humidité relative de 65 ± 5% et à une intensité lumineuse de 425 ± 50 µmol photons.m-2_.s-1 _durant toute la durée de l'expérience.

2.2.3.

Co-exposition des végétaux aux particules modèles et à NO

Afin d’étudier l’effet de la co-exposition des plantes aux particules et d’un gaz trace polluant (NO2) sur le transfert foliaire des métaux, une enceinte hermétique a été spécialement conçue au laboratoire PC2A (Figure 19). L’enceinte en polycarbonate dont les dimensions sont L x l x H : 100 x 70 x 80 cm est capable d’accueillir un total de 24 plants pour une même exposition. Le NO2 est introduit en flux discontinu dans l’enceinte via une des parois, à raison d'un pulse de 150 ppb par jour. La concentration en NO2 dans l’enceinte, lors des expositions, est suivie grâce à deux capteurs de NO2 (capteurs Cairsens O3/NO2 0-1000 ppb USB, Cairpol, France). Un capteur mesurant à la fois la température et l’humidité relative à l’intérieur de l’enceinte est également introduit et un ventilateur placé au centre de l’enceinte permet d’y faire circuler l’air, de manière à homogénéiser la concentration en NO2 dans l’enceinte. Du gel de silice (200 mg), renouvelé chaque jour, permet de maintenir une humidité constante dans l’enceinte (~ 60 %).

Les plants de choux traités et non traités par du TCA ont été contaminés avec PbSO4 (10 mg pour 3 plants) à l'aide d'un pinceau sec selon la méthode décrite précédemment et exposés conjointement à NO2 pendant 5, 10 et 15 jours puis récoltés pour analyse (24 plants témoins compris). Des expositions plus longues de 30 et 45 jours ont également été effectuées avec des plants de

choux contaminés par des particules de PbSO4 et exposés à NO2 afin d'étudier l'influence de NO2 sur la morphologie et la composition chimique des cires épicuticulaires.

Figure 19. Schéma du dispositif expérimental d’exposition des plantes à NO2 en conditions contrôlées.