Phenotypic traits and development of plants exposed to trace elements; use for phytoremediation and biomonitoring
Traits phénotypiques et développement de plantes exposées aux éléments traces; utilisation pour la phytoremédiation et la biosurveillance
Résumé
This work aimed at assessing sustainable phytoremediation options for trace element-contaminated soils. It includes both the assessment of initial and residual risks (biomonitoring) and long-term sustainable decontamination options using plants and associated microbes, especially aided phytoextraction with the secondary purposes of producing plant-based feedstock and restoring ecosystem services. Copper phytotoxicity, the improving role of soil conditioners, and plant tolerance were tested using a bioassay as well as a fading technique. The usefulness of a mutant line of sunflower (Helianthus annuus) and a motherclone of tobacco (Nicotiana tabacum) for the biomonitoring of Cu-contaminated soils was investigated. Biochemical parameters in relation to antioxidant status of plants and molecular responses to Cu excess generally showed a greater sensitivity than morphologic ones. Tobacco has a higher Cu tolerance than sunflower. Endophytic bacteria from various sources, notably from seeds of metallicolous populations of common bentgrass (Agrostis capillaris), and some organic compounds in crude seed extract are suggested to promote the growth of sunflower and tobacco exposed to Cu excess. For annual Cu-secondary accumulator plants with an excluder phenotype, increase in shoot Cu removal occurred primarily through increase in shoot biomass, rather than in shoot Cu concentration. Therefore, attention in field trials was paid to agricultural practices. Various improving options were tested in situ: incorporation of soil amendments, the use of mutant lines and somaclonal variants, cultivars and crop rotation, bioaugmentation, plant topping, fertilization and irrigation. Two mutant lines and some commercial cultivars of sunflower as well as the motherline of tobacco showed a high potential for Cu phytoextraction as well as for plant-based feedstock. Ecological restoration options for Cu-contaminated soils based on phytoextraction using annual Cu-secondary accumulator plants with a high shoot biomass would (1) result in the progressive decontamination of Cu-contaminated soils during crop rotations, (2) provide a financial return through biomass valorization, and (3) promote ecosystem services.
Ce travail a pour objectif de tester des solutions viables et durables pour la phytoremédiation de sols contaminés en éléments traces. Il inclut à la fois des données sur l'évaluation initiale et résiduelle des risques (biosurveillance) et sur des solutions de phytomanagement à long terme utilisant des plantes et microorganismes associés, en particulier la phytoextraction aidée couplant l’épuisement du pool labile de contaminants du sol, la production de matière première végétale et la restauration de services écosystémiques. La phytotoxicité du Cu, le rôle améliorant d’amendements organiques et minéraux et la tolérance des plantes ont été examinés en utilisant des essais biologiques ainsi qu’une technique de dilution du sol. L'utilité d’une lignée de mutants de tournesol (Helianthus annuus) et d’une lignée parentale de tabac (Nicotiana tabacum) pour le biomonitoring de sols contaminés en Cu a été évaluée. Les paramètres biochimiques, qui sont en relation avec le statut antioxydant des plantes et leurs réponses moléculaires à l’excès de Cu, ont en général montré une plus grande sensibilité que les traits morphologiques. Le tabac est plus tolérant au Cu que le tournesol. Des bactéries endophytes issues de différentes sources, notamment des graines d’une population métallicole d’une graminée (Agrostis capillaris), ainsi que des composés organiques dans les broyats de graines peuvent stimuler la croissance du tournesol et du tabac aux expositions en Cu modérément en excès. Pour ces plantes annuelles, accumulatrices secondaires du Cu et à phénotype d’exclusion, l'augmentation de la capacité de phytoextraction de Cu par les parties aériennes s’effectue surtout par l’accroissement de la biomasse aérienne, plutôt que par celui de sa concentration en Cu. Plusieurs pratiques pour améliorer la phytoextraction aidée du Cu ont été examinées in situ, en parcelles sur site : l'application d’amendements au sol, l'utilisation de lignées de mutants et de variants somaclonaux, la rotation de cultures et des cultivars, la bioaugmentation, la fertilisation, l’irrigation et l’écimage. Deux lignées de mutants et des cultivars commerciaux de tournesol ainsi qu’une lignée parentale de tabac ont montré un fort potentiel pour la phytoextraction du Cu, accompagné d’une production significative de graines et biomasse aérienne valorisables. Les solutions de restauration écologique basées sur la phytoextraction, utilisant des plantes annuelles accumulatrices secondaires de Cu permettraient (1) la décontamination progressive des sols contaminés en Cu au cours des rotations culturales, (2) un retour financier lié à la valorisation de la biomasse végétale et (3) la restauration de services écosystémiques.