Phase de culture sur le sol

Après la phase de pré-culture, les plants de fèves et de tomates âgés respectivement de 15 et 21 jours sont transférées sur la fine couche de sol. Pour les expériences qui suivent, cinq sols différents sont utilisés : 4 proviennent du profil de sol de Bazoches, à des profondeurs différentes (0- 10, 10-20, 40-50 et 90-100 cm), le 5ème vient d’une parcelle cultivée du lycée agricole d’Auzeville- Tolosane, il est utilisé comme sol témoin, choisi pour avoir des caractéristiques pédologiques proches des deux premiers échantillons de sol (0-10 et 10-20 cm) sans la contamination en plomb. Par contre, du fait de trop grandes différences dans leurs compositions chimiques, ce sol ne peut pas être utilisé comme témoin à proprement parler pour les deux autres échantillons de sol de Bazoches. Par contre, il possède des teneurs en plomb proches de l’échantillon 90-100 cm, ceci nous permettra de comparer le transfert du plomb non plus en fonction de la concentration en plomb, mais plutôt en fonction de la nature du sol. Ce témoin nous sert également à s’assurer de l’absence de pollution dans les échantillons de végétaux.

Comme le montre la Figure 45, 3g de sol mouillé sont déposés sur un papier filtre placé sur une plaque de PVC percée à la dimension du dispositif de culture. Cette plaque est alors déposée sur le couvercle du bac contenant la solution nutritive. Le papier filtre trempe dans la solution nutritive pour permettre d’humidifier le sol en permanence (Figure 41). Puis les cylindres en PVC sont déposés sur la couche de sol (Figure 46)

Figure 45 : Plaques de PVC permettant de déposer la fine couche de sol au-dessous d’un réservoir d’eau permettant l’alimentation hydrique des plantes.

Figure 46 : Contact entre le cylindre en PVC contenant la plante et la fine couche de sol.

Après 8 jours de contact, les plantes sont récoltées, en séparant les racines des feuilles, puis le sol est récupéré et mis à l’étuve pour séchage, afin de pouvoir procéder aux différentes analyses effectuées (Figure 47).

Figure 47 : Tomates (à gauche) et fèves (à droite), après les 8 jours de contact avec le sol, au moment de la récolte.

3 Méthodologie générale

Tomates

Fèves

•Récolte des différents organes des végétaux: Racines et feuilles

•Prélèvement de la fine couche de sol

Analyse des végétaux Analyse du sol •Minéralisation •Dosage du plomb •Mesure du pH

•Extractions séquentielles après culture

Évaluation des effets réciproques de la plante et du sol sur la spéciation et

4 Fate of lead in the soil-plant system of Vicia faba and

Lycopersicon esculentum cultivated on a contaminated

calcareous soil.

M. Cecchi(1), M. Guiresse(1), J. Silvestre(1), P. Winterton(2) and C. Dumat(1 *)2

1-Ecolab, UMR INPT-CNRS-UPS 5245, ENSAT, PO box 107, Auzeville-Tolosane, Av. Agrobiopole, Castanet-Tolosan cedex, 31326, France (http://www.ecolab.ups-tlse.fr).

2-Université Paul Sabatier – Toulouse III, 118, route de Narbonne, 31062 Toulouse cedex, France.

Abstract

A calcareous soil contaminated by atmospheric fallout from a lead recycling plant was investigated to determine the availability and uptake of lead by vegetables. Soil samples from 4 different depths were used in a greenhouse experiment with lead concentrations ranging between 1932 (top soil) and 36 mg.kg-1 (deepest soil sample). Tomatoes and broad beans were cultivated on a microculture device, which, besides allowing shoot analysis, provides easy access to both roots and rhizospheric soil. These experiments aimed at evaluating soil-to-plant transfer of lead, pedological characteristics and rhizospheric dynamics.

After 8 days of contact with contaminated soils, the plant biomasses were not significantly different from those of control plants indicating that they were not adversely affected by lead transfer. However, high lead concentrations were found in the roots, reaching about 1000 mg.kg-1 for the two plants. A large proportion of this Pb was adsorbed onto cell wall constituents (between 45 to 78%). Then, all the translocation factors were between 0.04 and 0.24, indicating limited transport of lead towards the aerial parts, which could contribute to Pb tolerance. In highly contaminated conditions, broad beans seem to absorb more Pb than tomatoes, whereas it is the opposite in weakly contaminated conditions. A one-unit pH decrease and a strong increase of exchangeable Pb occurred in the rhizosphere of the two vegetables. In the current study context, aqua regia lead extraction of soil samples proved to be a good indicator of lead transfer from soil to vegetables.

Key words: lead, soil-plant transfer, rhizosphere, chemical extractions, pH, compartmentalisation

2

Corresponding author:

Camille Dumat. Tel.: +33-5-62-19-39-03; Fax: 33-5-62-19-39-01. E-mail address: camille.dumat@ensat.fr

Résumé

Un sol calcaire contaminé par les retombées atmosphériques d’une usine de recyclage du plomb a été étudié afin de déterminer la disponibilité et le transfert du plomb vers les plantes. Des échantillons de sols prélevés à différentes profondeurs, avec des concentrations comprises entre 1932 mg.kg-1 en surface et 36 mg.kg-1 en profondeur, ont été utilisés dans une expérience en phytotron. Des tomates et des fèves ont été cultivées sur des dispositifs de microculture, qui en plus de l’analyse des parties aériennes, permet un accès facilité aux racines et au sol rhizosphérique. Ces expériences avaient pour but d’évaluer le transfert sol/plante du plomb, ainsi que les caractéristiques pédologiques et la dynamique de la rhizosphère.

Après 8 jours de contact avec les sols contaminés, les biomasses des plantes n’étaient pas significativement différentes des témoins, indiquant que les plantes n’étaient pas affectées par le plomb. Cependant, des concentrations élevées sont mesurées dans les racines, qui atteignent 1000 mg.kg-1 pour les deux plantes. Une grande partie de ce plomb est adsorbé à la surface des constituants de la paroi cellulaire (entre 45 et 78%). Ensuite, tous les facteurs de translocation sont compris entre 0.04 et 0.24, indiquant un transport limité du plomb vers les parties aériennes, ce qui peut contribuer à la tolérance au plomb. Dans des conditions de fortes contaminations, les fèves semblent absorber plus de plomb que les tomates, alors que cette tendance semble s’inverser en cas de contamination plus faible. Une diminution du pH (d’une unité) ainsi qu’une forte augmentation du plomb échangeable sont observées dans la rhizosphère des deux plantes. Dans cette étude, enfin, l’extraction du plomb à l’eau régale dans les échantillons de sol s’est révélé être un bon indicateur du transfert du plomb vers les plantes.

4.1 Introduction and context

Unnecessary for living organisms, lead is a persistent metal frequently related to soil pollution because of its numerous past and present uses: metallurgical industries, mining and smelting, car exhaust, fuel production, soil fertilization and pesticide applications (Alkorta et al., 2004). Potentially toxic to numerous living organisms, even at low concentrations, lead is identified as a priority substance in the recent European Reach law (EC, 2007). Due in particular to its uptake by edible plants and subsequent introduction into the food chain, lead is considered as a human risk above 400- 500 mg.kg-1 soil (US EPA, 2001). Therefore, tools for the assessment of the environmental risks induced by lead contamination of soils are needed. More than its total soil concentration, it is the association of a metal with the soil components and its chemical speciation that govern its mobility and availability (Dumat et al., 2001). During the last decades, chemical extraction procedures have been widely used to identify the partition of the metals among various solid phases and to estimate their availability for plants. Numerous extraction procedures exist, often based on that of Tessier et al. (1979) and then modified by many researchers such as Ure et al. (1995); Leleyter and Probst (1999); Dumat et al. (2001).

Both soil (physical and chemical parameters) and plant characteristics (species, variety and maturity) influence metal absorption by plants (Alexander et al., 2006). Therefore there is no universal experimental method for the prediction of metal availability to plants (Wang et al., 2003). Soil-plant transfer is an important link in the chain of events that induces the entry of lead into the human food chain. The measurement of lead absorption by plants in various experimental conditions can therefore give a better understanding of human risk arising from the cultivation of lead-polluted soils. Plants can be used as bio-indicators for risk assessment studies because measuring the metal concentration in plants integrates all the biotic and non-biotic parameters (for instance soil, climatic conditions and agronomic management). Depending on the species, some plants can accumulate large quantities of lead and can be used in remediation processes (Panich-Pat et al., 2004), while others are highly sensitive to lead and could be used as bio-indicators of lead toxicity (Liu et al., 2005). In order to improve the use of plants for the assessment of risks due to polluted soils, supplementary studies are needed to increase the understanding of the mechanisms in the metal-soil-plant system in particular for lead, a transition metal with complex behaviour in the soil. A phenomenon that is not currently taken into account in the patterns of metal absorption is the plant-induced modification of the characteristics of the rhizosphere (soil located around the plant roots, acting as the interface between the roots and the bulk of the soil). Producing various exudates (depending on the species), plants can strongly modify the physical, chemical and biological characteristics of the rhizosphere and consequently the behaviour of the metals (Hinsinger et al., 2003; Lin et al., 2004).

The aim of the present study was to establish the way lead behaves in the soil-plant system, in a calcic cambic soil contaminated by a lead recycling plant. Atmospheric fallout generated by the plant, mainly in the past, increased soil lead concentrations especially in the topsoil. Lead, a highly persistent pollutant, is considered as being little mobile in soils, but a simple chemical approach is not

sufficient to evaluate its mobility and availability because biotic parameters can be involved. Thus, greenhouse experiments were conducted with two common vegetables: tomato and broad bean in order to compare their behaviour and study the mechanisms of lead absorption by plants. In soil samples from various depths, chemical extractions and pH measurements were performed on rhizosphere and bulk soils to assess the effects of both soil parameters and rhizospheric dynamics on the bioavailability of lead.

4.2 Material and Methods