Biodisponibilit é et biod é gradation des HAP dans la rhizosph è re Corinne LEYVAL Laboratoire des Interactions Microorganismes -Minéraux-Matière Organique

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Biodisponibilité et biodégradation des HAP dans la rhizosphère

Corinne LEYVAL

Laboratoire des Interactions Microorganismes -Minéraux-Matière Organique dans les Sols





-Milliers d’hectares de friches

(plus de 6 000 ha en Lorraine)

-Multipollution organique (HAP)

et métallique (ETM)

-Les techniques de traitement (désorption thermique) réduisent mais n’éliminent pas complètement pas la pollution (ETM)

-La présence de plante (rhizosphère) augmente la dissipation des HAP dans la rhizosphère, mais peu d’études in situ

-Nécessité de prendre en compte l’ensemble des polluants présents, leur toxicité et leur biodisponibilité

Contexte


sont requis pour visionner cette image. Objectifs

-Quantifier in situ le devenir des HAP dans la rhizosphère, en interaction avec les autres polluants (organiques et métalliques) et les conséquences de leur présence dans les systèmes sol-plante

-Approche multidisciplinaire: -caractérisation exhaustive des polluants

-flux et transferts de polluants

-biodisponibilité, toxicité

-fonctions microbiennes

(gènes de dégradation des HAP)

-modélisation

photo : EPFLphoto : EPFL



• LIMOS (UHP/CNRS, Nancy) : diversité bactérienne, plante-mycorhizeThierry Beguiristain, Aurélie Cébron, Marie-Paule Norini, Corinne Leyval

• G2R (UHP/CNRS, Nancy) : caractérisation des fractions organiquesCoralie Biache, Pierre Faure

• LIEBE (univ. Metz/CNRS) : écotoxicité, colonisation végétale spontanéeJean-François Masfaraud, Paule Vasseur

• LSE (INPL/INRA, Nancy) : fonctionnement agronomique, biodisponibilité, plante hyperaccumulatriceStéphanie Ouvrard

•LSGC (INPL/CNRS): modélisationMarie-Odile Simonnot

• GISFI: Noele Raoult

Partenaires



Le site expérimental

Ancienne cokerie de Homécourt



Dispositifde

ParcellesLysimétriques



1234

5678

9101112

13141516

17181920

21222324

Terre Nue

Végétation spontanée

Thlaspi caerulescens

Medicago sativa

Medicago sativa mycorhizée

Medicago sativa

TN

VS

Tc

Ms

Msm

TD

Sol NM brut contamination ancienne en HAP

Sol NM TD ayant subi un traitement de thermo-désorption (500°C)

Dispositif de 24 parcelles lysimétriques



• Plantes et terre (2/an)

• croissance• teneurs en métaux • HAP, hydrocarbures aliphatiques,

aromatiques, composées polaires • diversité microbienne (16S, gène de

dégradation)• écotoxicité• colonisation végétale spontanée

• Solutions (épisodes pluvieux)

•pH, Eh, O2 dissout, conductivité, mat. en suspension

•HAP et autres composés organiques métaux

•écotoxicité

Deux prélèvements/an:

T0:Sept 2005

T1 Mai 2006

T2: Sept 2006

T3: Mai 2007

T4:Sept 2007

Prélèvements et analyses



Granulométrie (%) SG SF LG LF A

Terre NM 57,1 8,3 7,5 14,8 12,3

Terre NM traitée (TD) 56,0 14,1 9,8 9,7 10,4

pH N(g/kg)

C(g/kg)

CaCO3

(g/kg)

Ca éch.(cmol/kg)

Mg éch.(cmol/kg)

K éch.(cmol/kg)

NM 7,03 2,7 62 19,2 209 8,3 1,1

TD 8,01 0,96 58 51,2 132 2,1 1,2

16 HAP(mg/kg)

Ni(mg/kg)

Zn(mg/kg)

Cd(mg/kg)

Pb(mg/kg)

Cr(mg/kg)

Cu(mg/kg)

As(mg/kg)

NM 1924 97 2086 2,66 482 599 131 27

TD 106 103 2745 2,14 673 394 109 69

Caractérisation des terres étudiées



0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

16-mai-06 6-juin-06 3-aoû-06 23-aoû-06 12-sep-06 12-oct-06 9-fév-07 9-juil-07 25-juil-07 10-aoû-07 22-aoû-07

Volumes percolés/pluviométrie

TD

MSm

MS

VS

TC

TN

Bilan des volumes percolés


sont requis pour visionner cette image. Modèle hydrique de la parcelle

pluie

évapotranspiration

transport de l’eauconvection-diffusion

transfert d’eau vers les racines

Calcul avec HYDRUS 1D

Exemple : sol nu

rétention d’eau



Thlasp

i

Luzern

e

Végéta

tion

spon

tanée

Luzern

e

myc

orhizé

e

Therm

o-

désor

ption

Terre

nue

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

µg.

g-1 d

e so

l sec

T0 - Septembre 2005

T1 - Mai 2006

T2 - Septembre 2006

T3 - Mai 2007

Analyse des 16 HAP dans les terres au cours du temps



Thlaspi

0%

20%

40%

60%

80%

100%

T0 T1 T2 T3

LuzerneT0 T1 T2 T3

Végétation spontanéeT0 T1 T2 T3

Luzerne mycorhizée Terre nue Thermodésorption

0%

20%

40%

60%

80%

100%

T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3

As

S

Ar

R

As

S

ArR

As: asphaltènes,S: hydrocarbures saturés, Ar: hydr.aromatiques, R: résines

Evolution des différentes familles de composés organiques (%)



1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

1.0E+09

TNt0

TNt1

TNt2

TNt3

VSt0

VSt1

VSt2

VSt3

Mst0

Mst1

Mst2

Mst3

TDt0

TDt1

TDt2

TDt3

ARNr 16S

HAP-dioxygenase G-

HAP-dioxygenase G+

No

mb

re d

e c

op

ies

de

gè

ne

/ g

de

so

l s

ec

Terre Nue Végétation spontanée Medicago sativa Medicago sativa

109

108

107

106

105

104

t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3

Sol NM brut Sol NM TD

Quantification par PCR en temps réel du nombre de copies de gènes 16S (bactéries totales) et HAP-dioxygénase (bactéries capables de dégrader les HAP)

Evolution de la communauté bactérienne totale et des bactéries dégradant les HAP



% d

u n

om

bre

de

co

pie

s d

e g

èn

es

de

HA

P-d

iox

yg

én

as

e

pa

r ra

pp

ort

au

no

mb

re d

e c

op

ies

de

gè

ne

d’A

DN

r 1

6S

0.0

0.5

1.0

1.5

TNt0

TNt1

TNt2

TNt3

VSt0

VSt1

VSt2

VSt3

Mst0

Mst1

Mst2

Mst3

TDt0

TDt1

TDt2

TDt3

0.0

0.5

1.0

1.5

TNt0

TNt1

TNt2

TNt3

VSt0

VSt1

VSt2

VSt3

Mst0

Mst1

Mst2

Mst3

TDt0

TDt1

TDt2

TDt3Terre Nue Végétation

spontanéeMedicago sativa Medicago sativa

t0 t1 t2 t3

Sol NM brut Sol NM TD

1.5%

1%

0.5%

0%

1.5%

1%

0.5%

0%

HAP-dioxygénase Gram -

HAP-dioxygénase Gram +

t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3

t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3

Pourcentage de bactéries capables de dégrader les HAP par rapport à la communauté bactérienne totale



Sur les sols: -sur végétaux (avoine et choux): faible toxicité (plus importante du sol traité par désorption thermique)- sur vers de terreaucune mortalité des vers mais reproduction faiblement diminuée (46%) avec le sol NM, et un peu moins pour DT (33%). -sur la reproduction des collemboles pas de toxicité avec les deux sols initiaux, mais tendance à une reproduction plus faible avec les modalités plantées (MS et MSm)

Sur les percolats: -pas de toxicité aigüe sur Microtox et sur les daphnies depuis avril 2006, -pas de génotoxicité sur Vicia faba (avril et mai 2006)

-un effet mutagène avec certains percolats (test d’Ames), mais pas avec le test Umu sur S.thyphimurium (ISO), moins sensible

-mais toxicité élevée sur les algues pour l’ensemble des échantillons des parcelles NM pour tous les prélèvements, et qui tend à augmenter au cours du temps-toxicité élevée sur la reproduction des Cériodaphnies.

Ecotoxicité



Le suivi sur deux ans des parcelles montre: -teneurs en polluants stables ; -peu de transfert de HAP vers les eaux ou les organismes, -peu de différentiation entre les modalités. -hétérogénéité dans les résultats in situ

Cependant:-toxicité des terres et des percolats vis à vis des organismes (Thlaspi, colonisation mycorhizienne, reproduction des daphnies, division alguale) -présence de bactéries dégradantes (quantification de gènes) et stimulation de ces bactéries dans les parcelles plantées

-biodégradation dans ces terres limitée par la biodisponibilité des polluants

Conclusions


sont requis pour visionner cette image. Perspectives

Nécessité de suivre à plus long terme ce type d’expérimentation: -suivre l’évolution des polluants et de leur toxicité, et

-l’augmentation des bactéries dégradantes dans la rhizosphère pouvant à terme favoriser la dégradation des HAP

-le lessivage pourrait conduire à une acidification progressive des terres, à une remobilisation à long terme des ETM

Devenir des polluants et conséquences sur les systèmes sol/eau/plante

Gestion des multipollutions

Faisabilité de technologies de remédiation biologiques

Restauration des fonctionnalités des sols contaminés et traités







n-A

lcan

es (

m/z

= 5

7)

2 ANST INITIAL

Terre Nue

Luzerne

APPARITION DE LA SIGNATURE DES VEGETAUX SUPERIEURS DANS LES PARCELLES PLANTEES

Signature végétaux supérieursn-alcanes au nombre de carbone impair

n-Alcanes d’origine anthropique

Signatures moléculaires



Teneur en eau (%)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

TC MS VS MSm TN TD

T0

T1

T2

T3



Evolution de la teneur en Zinc extractible à l'EDTA dans chaque type de parcelle aux trois dates

de prélèvement

0

50

100

150

200

250

300

T0 T1 T2

Dates de prélèvement

Teneur en Zinc extractible à

l'EDTA (mg/kg)

Parcelles TN

Parcelles VS

Parcelles TC

Parcelles MS

Parcelles MSM

Parcelles TD

Evolution de la teneur en Zinc dans chaque type de parcelle au cours des trois dates de prélèvement

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

T0 T1 T2


Teneur en Zinc (mg/kg)

Parcelles TNParcelles VSParcelles TCParcelles MSParcelles MSMParcelles TD


sont requis pour visionner cette image.Evolution de la teneur en HAP selon leur nombre de cycles

aromatiques dans le type de parcelle TN au cours des trois dates de prélèvement

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

T0 T1 T2


Teneur en HAP (mg/kg MS)

HAP à 2 cyclesHAP à 3 cyclesHAP à 4 cyclesHAP à 5 cyclesHAP à 6 cycles

Evolution de la teneur en HAP selon leur nombre de cycles aromatiques dans le type de parcelle TC au

cours des trois dates de prélèvement

0

200

400

600

800

1000

1200

T0 T1 T2


Teneur en HAP (mg/kg MS)

HAP à 2 cyclesHAP à 3 cyclesHAP à 4 cyclesHAP à 5 cyclesHAP à 6 cycles



0

2

4

6

8

10

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Individus

Biomasse aérienne sèche (g)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Individus

Concentrations en Zn (mg/kg)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Individus

Concentrations en Cd (mg/kg)

Biomasse Thlaspi

Zn - Thlaspi

Cd - Thlaspi



0

20

40

60

80

100

120

140

160

Teneur en Zinc (mg/kg)

TD MSM MS

Evolution de la teneur en Zinc dans les trois types de parcelles (TD, MSM, MS) au cours du temps

T1

T2

0

500

1000

1500

2000

2500

ms msm td

Série1

Biomasse luzerne

Documents

Biodisponibilit é et biod é gradation des HAP dans la rhizosph è re Corinne LEYVAL Laboratoire des Interactions Microorganismes -Minéraux-Matière Organique