Phytoremédiation - Phytoremediation

Les technologies de phytoremédiation utilisent des plantes vivantes pour nettoyer le sol, l'air et l'eau contaminés par des contaminants dangereux. Elle est définie comme « l'utilisation de plantes vertes et des micro-organismes associés, ainsi que d'amendements du sol et de techniques agronomiques appropriés pour contenir, éliminer ou rendre inoffensifs les contaminants toxiques de l'environnement ». Le terme est un amalgame du grec phyto (plante) et du latin remedium (restauration de l'équilibre). Bien qu'attrayante pour son coût, il n'a pas été démontré que la phytoremédiation résolve un problème environnemental important dans la mesure où l'espace contaminé a été récupéré.

La phytoremédiation est proposée comme une approche rentable d' assainissement de l' environnement basée sur les plantes qui tire parti de la capacité des plantes à concentrer les éléments et les composés de l'environnement et à détoxifier divers composés. L'effet de concentration résulte de la capacité de certaines plantes appelées hyperaccumulateurs à bioaccumuler des produits chimiques. L'effet de remédiation est assez différent. Les métaux lourds toxiques ne peuvent pas être dégradés, mais les polluants organiques peuvent être et sont généralement les principales cibles de la phytoremédiation. Plusieurs essais sur le terrain ont confirmé la faisabilité de l'utilisation de plantes pour l'assainissement de l'environnement .

Fond

La phytoremédiation peut être appliquée à un sol pollué ou à un environnement aquatique statique. Cette technologie a été de plus en plus étudiée et utilisée sur des sites dont les sols sont contaminés par des métaux lourds comme le cadmium , le plomb , l' aluminium , l' arsenic et l' antimoine . Ces métaux peuvent provoquer un stress oxydatif chez les plantes, détruire l' intégrité de la membrane cellulaire , interférer avec l' absorption des nutriments , inhiber la photosynthèse et diminuer la chlorophylle des plantes .

La phytoremédiation a été utilisée avec succès, notamment la restauration d'exploitations minières métalliques abandonnées et de sites où des biphényles polychlorés ont été déversés pendant la fabrication et l'atténuation des rejets de mines de charbon en cours, réduisant ainsi l'impact des contaminants dans les sols, l'eau ou l'air. Les contaminants tels que les métaux, les pesticides, les solvants, les explosifs et le pétrole brut et ses dérivés ont été atténués dans le cadre de projets de phytoremédiation dans le monde entier. De nombreuses plantes telles que les plants de moutarde , le pennycress alpin , le chanvre et l' amarante se sont avérées efficaces pour hyperaccumuler les contaminants dans les sites de déchets toxiques .

Toutes les plantes ne sont pas capables d'accumuler des métaux lourds ou des polluants organiques en raison des différences dans la physiologie de la plante. Même les cultivars d'une même espèce ont des capacités variables à accumuler des polluants.

Avantages et limites

  • Avantages :
    • le coût de la phytoremédiation est inférieure à celle des procédés traditionnels à la fois in situ et ex situ
    • la possibilité de récupération et de réutilisation des métaux précieux (par des sociétés spécialisées dans le "phyto mining")
    • il préserve la couche arable , maintenant la fertilité du sol
    • Augmenter la santé du sol , le rendement et les composés phytochimiques des plantes
    • l'utilisation de plantes réduit également l'érosion et le lessivage des métaux dans le sol
  • Limites :
    • la phytoremédiation est limitée à la surface et à la profondeur occupées par les racines.
    • avec les systèmes de dépollution à base de plantes, il n'est pas possible d'empêcher complètement le lessivage des contaminants dans les eaux souterraines (sans l'élimination complète du sol contaminé, ce qui en soi ne résout pas le problème de la contamination)
    • la survie des plantes est affectée par la toxicité du terrain contaminé et l'état général du sol
    • la bioaccumulation de contaminants, en particulier de métaux, dans les plantes peut affecter les produits de consommation comme les aliments et les cosmétiques, et nécessite l'élimination sûre du matériel végétal affecté
    • lors de la prise de métaux lourds, parfois le métal est lié à la matière organique du sol , ce qui le rend indisponible pour la plante à extraire

Processus

Processus de phytoremédiation

Une gamme de processus médiés par les plantes ou les algues est testée dans le traitement des problèmes environnementaux :

Phytoextraction

Certains métaux lourds tels que le cuivre et le zinc sont extraits du sol en remontant dans les racines des plantes.

La phytoextraction (ou phytoaccumulation ou phytoséquestration ) exploite la capacité des plantes ou des algues à éliminer les contaminants du sol ou de l'eau dans la biomasse végétale récoltable. Les racines absorbent des substances du sol ou de l'eau et les concentrent au-dessus du sol dans la biomasse végétale. Les organismes capables d'absorber de grandes quantités de contaminants sont appelés hyperaccumulateurs . La phytoextraction peut également être effectuée par des plantes (par exemple Populus et Salix ) qui absorbent des niveaux de polluants plus faibles, mais en raison de leur taux de croissance élevé et de leur production de biomasse, peuvent éliminer une quantité considérable de contaminants du sol. La phytoextraction connaît une popularité croissante dans le monde entier depuis une vingtaine d'années. En règle générale, la phytoextraction est utilisée pour les métaux lourds ou d'autres substances inorganiques. Au moment de l'élimination, les contaminants sont généralement concentrés dans le volume beaucoup plus petit de la matière végétale que dans le sol ou les sédiments initialement contaminés. Après la récolte, un niveau inférieur de contaminant restera dans le sol, de sorte que le cycle de croissance/récolte doit généralement être répété sur plusieurs cultures pour obtenir un nettoyage significatif. Après le processus, le sol est assaini.

Bien sûr, de nombreux polluants tuent les plantes, la phytoremédiation n'est donc pas une panacée. Par exemple, le chrome est toxique pour la plupart des plantes supérieures à des concentrations supérieures à 100 μM·kg−1 poids sec.

L'extraction de ces métaux extraits par phytomining , est un moyen envisageable de récupérer la matière. Les plantes hyperaccumulatrices sont souvent métallophytes . La phytoextraction induite ou assistée est un processus dans lequel un fluide de conditionnement contenant un chélateur ou un autre agent est ajouté au sol pour augmenter la solubilité ou la mobilisation des métaux afin que les plantes puissent les absorber plus facilement. Bien que ces additifs puissent augmenter l'absorption de métaux par les plantes, ils peuvent également conduire à de grandes quantités de métaux disponibles dans le sol au-delà de ce que les plantes sont capables de déplacer, provoquant un lessivage potentiel dans le sous-sol ou les eaux souterraines.

Exemples de plantes connues pour accumuler les contaminants suivants :

Phytostabilisation

La phytostabilisation réduit la mobilité des substances dans l'environnement, par exemple en limitant le lessivage des substances du sol . Il se concentre sur la stabilisation et le confinement à long terme du polluant. La plante immobilise les polluants en les liant aux particules du sol, les rendant moins disponibles pour l'absorption par les plantes ou les humains. Contrairement à la phytoextraction, la phytostabilisation se concentre principalement sur la séquestration des polluants dans le sol près des racines mais pas dans les tissus végétaux. Les polluants deviennent moins biodisponibles, ce qui réduit l'exposition. Les plantes peuvent également excréter une substance qui produit une réaction chimique, convertissant le polluant métal lourd en une forme moins toxique. La stabilisation entraîne une réduction de l'érosion, du ruissellement et du lessivage, en plus de réduire la biodisponibilité du contaminant. Un exemple d'application de la phytostabilisation est l'utilisation d'un couvert végétal pour stabiliser et contenir les résidus miniers .

Phytodégradation

Les racines sécrètent des enzymes qui dégradent (dégradent) les polluants organiques dans le sol.

La phytodégradation (également appelée phytotransformation) utilise des plantes ou des micro-organismes pour dégrader les polluants organiques dans le sol ou dans le corps de la plante. Les composés organiques sont décomposés par des enzymes que sécrètent les racines des plantes et ces molécules sont ensuite absorbées par la plante et libérées par transpiration. Ce processus fonctionne mieux avec les contaminants organiques comme les herbicides, le trichloroéthylène et l' éther méthyl- tert- butylique .

La phytotransformation entraîne la modification chimique des substances environnementales résultant directement du métabolisme des plantes , entraînant souvent leur inactivation, leur dégradation (phytodégradation) ou leur immobilisation (phytostabilisation). Dans le cas des polluants organiques , tels que les pesticides , les explosifs , les solvants , les produits chimiques industriels et autres substances xénobiotiques , certaines plantes, comme le Cannas , rendent ces substances non toxiques par leur métabolisme . Dans d'autres cas, des micro - organismes vivant en association avec les racines des plantes peuvent métaboliser ces substances dans le sol ou l'eau. Ces composés complexes et récalcitrants ne peuvent pas être décomposés en molécules basiques (eau, dioxyde de carbone, etc.) par les molécules végétales et, par conséquent, le terme phytotransformation représente un changement de structure chimique sans dégradation complète du composé. Le terme « foie vert » est utilisé pour décrire la phytotransformation, car les plantes se comportent de manière analogue au foie humain face à ces composés xénobiotiques (composé étranger/polluant). Après absorption des xénobiotiques, les enzymes végétales augmentent la polarité des xénobiotiques en ajoutant des groupes fonctionnels tels que des groupes hydroxyle (-OH).

Ceci est connu sous le nom de métabolisme de phase I, similaire à la façon dont le foie humain augmente la polarité des médicaments et des composés étrangers ( métabolisme des médicaments ). Alors que dans le foie humain, les enzymes telles que le cytochrome P450 sont responsables des réactions initiales, dans les plantes, les enzymes telles que les peroxydases, les phénoloxydases, les estérases et les nitroréductases jouent le même rôle.

Dans la deuxième étape de la phytotransformation, connue sous le nom de métabolisme de phase II, des biomolécules végétales telles que le glucose et les acides aminés sont ajoutées au xénobiotique polarisé pour augmenter encore la polarité (appelée conjugaison). Ceci est à nouveau similaire aux processus se produisant dans le foie humain où des réactions de glucuronidation (addition de molécules de glucose par la classe d'enzymes UGT, par exemple UGT1A1 ) et d' addition de glutathion se produisent sur les centres réactifs du xénobiotique.

Les réactions de phase I et II servent à augmenter la polarité et à réduire la toxicité des composés, bien que de nombreuses exceptions à la règle soient observées. La polarité accrue permet également un transport facile du xénobiotique le long des canaux aqueux.

Au stade final de la phytotransformation (métabolisme de phase III), une séquestration du xénobiotique se produit au sein de la plante. Les xénobiotiques polymérisent à la manière de la lignine et développent une structure complexe qui est séquestrée dans la plante. Cela garantit que le xénobiotique est stocké en toute sécurité et n'affecte pas le fonctionnement de la plante. Cependant, des études préliminaires ont montré que ces plantes peuvent être toxiques pour les petits animaux (comme les escargots) et, par conséquent, les plantes impliquées dans la phytotransformation peuvent devoir être maintenues dans un enclos fermé.

Ainsi, les plantes réduisent la toxicité (sauf exceptions) et séquestrent les xénobiotiques en phytotransformation. La phytotransformation du trinitrotoluène a fait l'objet de recherches approfondies et une voie de transformation a été proposée.

Phytostimulation

La phytostimulation (ou rhizodégradation) est l'amélioration de l' activité microbienne du sol pour la dégradation des contaminants organiques, généralement par les organismes qui s'associent aux racines . Ce processus se produit dans la rhizosphère , qui est la couche de sol qui entoure les racines. Les plantes libèrent des glucides et des acides qui stimulent l'activité des micro-organismes, ce qui entraîne la biodégradation des contaminants organiques. Cela signifie que les micro-organismes sont capables de digérer et de décomposer les substances toxiques en une forme inoffensive. La phytostimulation s'est avérée efficace pour dégrader les hydrocarbures pétroliers, les PCB et les HAP. La phytostimulation peut également impliquer des plantes aquatiques supportant des populations actives de dégradants microbiens, comme dans la stimulation de la dégradation de l' atrazine par la hornwort .

Phytovolatilisation

Les contaminants sont ensuite décomposés et les fragments sont ensuite transformés et volatilisés dans l'atmosphère.

La phytovolatilisation est l'élimination de substances du sol ou de l'eau avec rejet dans l'air, parfois à la suite d'une phytotransformation en substances plus volatiles et/ou moins polluantes. Dans ce processus, les contaminants sont absorbés par la plante et par transpiration, s'évaporent dans l'atmosphère. C'est la forme de phytovolatilisation la plus étudiée, où la volatilisation se produit au niveau de la tige et des feuilles de la plante, cependant la phytovolatilisation indirecte se produit lorsque les contaminants sont volatilisés à partir de la zone racinaire. Le sélénium (Se) et le mercure (Hg) sont souvent éliminés du sol par phytovolatilisation. Les peupliers sont l'une des plantes les plus efficaces pour éliminer les COV grâce à ce processus en raison de son taux de transpiration élevé.

Rhizofiltration

La rhizofiltration est un procédé qui filtre l'eau à travers une masse de racines pour éliminer les substances toxiques ou les nutriments en excès . Les polluants restent absorbés ou adsorbés sur les racines. Ce processus est souvent utilisé pour nettoyer les eaux souterraines contaminées en plantant directement dans le site contaminé ou en retirant l'eau contaminée et en la fournissant à ces usines dans un emplacement hors site. Dans les deux cas cependant, les plantes sont généralement cultivées d'abord dans une serre dans des conditions précises.

Confinement hydraulique biologique

Le confinement hydraulique biologique se produit lorsque certaines plantes, comme les peupliers, attirent l'eau vers le haut à travers le sol dans les racines et à travers la plante, ce qui diminue le mouvement des contaminants solubles vers le bas, plus profondément dans le site et dans les eaux souterraines.

Phytodessalement

La phytodessalement utilise des halophytes (plantes adaptées aux sols salins) pour extraire le sel du sol afin d'améliorer sa fertilité.

Rôle de la génétique

Les programmes de sélection et le génie génétique sont des méthodes puissantes pour améliorer les capacités naturelles de phytoremédiation ou pour introduire de nouvelles capacités dans les plantes. Les gènes de phytoremédiation peuvent provenir d'un micro-organisme ou être transférés d'une plante à une autre variété mieux adaptée aux conditions environnementales du site de dépollution. Par exemple, des gènes codant pour une nitroréductase d'une bactérie ont été insérés dans le tabac et ont montré une élimination plus rapide du TNT et une résistance accrue aux effets toxiques du TNT. Les chercheurs ont également découvert un mécanisme chez les plantes qui leur permet de pousser même lorsque la concentration de pollution dans le sol est mortelle pour les plantes non traitées. Certains composés naturels et biodégradables, comme les polyamines exogènes , permettent aux plantes de tolérer des concentrations de polluants 500 fois plus élevées que les plantes non traitées, et d'absorber plus de polluants.

Hyperaccumulateurs et interactions biotiques

Une plante est dite hyperaccumulatrice si elle peut concentrer les polluants dans un pourcentage minimum qui varie selon le polluant en cause (par exemple : plus de 1000 mg/kg de poids sec pour le nickel , le cuivre , le cobalt , le chrome ou le plomb ; ou plus de 10 000 mg/kg pour le zinc ou le manganèse ). Cette capacité d'accumulation est due à l' hypertolérance , ou phytotolérance : résultat de l'évolution adaptative des plantes aux milieux hostiles à travers de nombreuses générations. Un certain nombre d'interactions peuvent être affectées par l'hyperaccumulation de métaux, notamment la protection, les interférences avec les plantes voisines de différentes espèces, le mutualisme (y compris les mycorhizes , la dispersion du pollen et des graines), le commensalisme et le biofilm .

Tables d'hyperaccumulateurs

Phytoscreening

Comme les plantes sont capables de se déplacer et d'accumuler des types particuliers de contaminants, les plantes peuvent être utilisées comme biocapteurs de la contamination souterraine, permettant ainsi aux enquêteurs de délimiter rapidement les panaches de contaminants. Des solvants chlorés, tels que le trichloroéthylène , ont été observés dans les troncs d'arbres à des concentrations liées aux concentrations dans les eaux souterraines. Pour faciliter la mise en œuvre sur le terrain du phytocriblage, des méthodes standard ont été développées pour extraire une section du tronc de l'arbre pour une analyse ultérieure en laboratoire, souvent en utilisant un foreur d'incréments . Le dépistage phytosanitaire peut conduire à des investigations plus optimisées sur les sites et réduire les coûts de nettoyage des sites contaminés.

Voir également

Les références

Bibliographie

Liens externes