Effects of root exudates on cadmium bioavailability in the rhizosphere. Assessment of cadmium toxicity to plants and microorganisms, and soil remediation
Effets des exsudats racinaires sur la biodisponibilité du cadmium dans la rhizosphère. Évaluation de la toxicité du cadmium pour les plantes et les microorganismes, et remédiation du sol
Résumé
Long-term Cd contaminated soils were used to assess the effects of low molecular weight root exudates, released in a model system by a filter placed on the soil surface, on microbial C and N biomass, microbial respiration, inorganic N pools, and cadmium bioavailability in the rhizosphere. Cadmium was added in field plots (AGIR experiment, Bordeaux, France) between 1988 and 1990 as Cd(NO3)2 to reach concentrations ranging from 0.7 to 38.7 mg Cd kg-1 soil d.w. in the 0-0.3 m depth layer of sandy soils. Soils were sampled in 2003. 200 mg C kg-1 of model root exudates (MRE) glucose, citric acid and glutamic acid were added at 0, 2, 4 and 7d. Periodically, at 0, 4, 7, and 14d, the soil was sampled from two layers, i.e. 0–2 and 6–14 mm below the filter’s surface, which were indicated as rhizosphere and bulk soils, respectively. Cadmium concentration in soil did not affect the MRE mineralization, N inorganic content and microbial C biomass were not reduced. N microbial biomass showed a slightly reduction. The soil respiration increased in higher cadmium contaminated soils. Labile fraction and cadmium bioavailability were measured by single step chemical extractions and by the BIOMET® bacterial biosensor system. Cadmium bioavailability was detectable only in soils contaminated with 38.7 mg Cd kg-1. The Cd bioavailability was affected mostly by citric and glutamic acids. The value of Cd-labile fraction measured with 1M NH4NO3 extraction was similar in the rhizosphere and bulk soils and generally the Cd mobility was not affected by the MRE. The Cd solubility was low even in the higher contaminated soils, and this may explain the lack of negative effects of Cd on biochemical parameters. The low Cd mobility would be imputed to the buffer properties of AGIR soils. In fact no pH changes were measured, even with citric acid treatments. The results of biosensor in higher contaminated soils were in agreement with the results from chemical extraction showing low exposure to Cd and Cd uptake for bacteria. The potential use of Holcus lanatus L. as a plant species usable in aidedphytoremediation, was preliminary assess in hydroponic culture for 4w. Plants were precultivated in the AGIR soils of highest contaminated plots (38.7 mg Cd kg-1 d.w.) and control plots (0.7 mg Cd kg-1 d.w.), and then transplants were collected. Contaminated nutrient solutions were used to mimic the extractable Cd contents and pH of original plots (pH 7 and pH 5.5, respectively). Cadmium uptake and storage was measured in shoots, leaves, and roots. Guaiacol peroxidase activity (GuPx) in leaves, total chlorophyll and carotenoid contents were quantified to monitor the effects of cadmium exposure on plants. Plants grown in control nutrient solution had the highest yields and lowest Cd concentration. The leaf GuPx activity was higher in plants grown in Cd contaminated nutrient solution in response to the oxidative stress condition induced by Cd exposure and Cd accumulation in plant tissues. Chlorophyll and carotenoid contents were clearly higher in leaves of plants cultivated in control nutrient solution. No effect of solution pH was noticed. Cadmium accumulated in plants was mostly localized in roots with a low percentage of translocation in shoots. It was therefore relevant to use H. lanatus plants in aided-phytoremediation experiments carried out both in laboratory and greenhouse conditions. Cadmium-contaminated soils were remediated according to the in situ stabilization technique using three inorganic amendments: beringite+iron grit (5+1% w/w, pH 8.0), sepiolite (6% w/w, pH 8.5), bentonite (6% w/w, pH 3.5). Mobility of cadmium was monitored in soil pore water in the first days after the soil amendment (0, 2, 4, 7, and 14d) and after 6 months using a soil moisture sampler (Rhizon MOM). Cadmium concentration in soil pore water was reduced by sepiolite (reduction ranged between 50%-98.7%) and beringite+iron grit (reduction between 30.4% and 84.6%) but bentonite, due to its low pH, initially increased the Cd availability. The effectiveness of in situ soil remediation through stabilisation was assessed in the amended soils with three different cadmium tolerant plant species (non-tolerant: Phaseolus vulgaris L., medium tolerant: Holcus lanatus, tolerant: Lactuca sativa L. var ”smeraldo”). Visual stress symptoms and biometrical parameters were monitored, and total chlorophyll content was measured. No visual symptoms were detected on aerial plant parts but despite soil amendment reduced the Cd availability, attention is required on the growth conditions created by the minerals that may have higher negative effects (water deficiency and soil compression) than those due to cadmium exposure. Lettuce grown in soils treated with bentonite presented low biomass independently of cadmium concentration. Based on shoot yield, H. lanatus grown on amended Cd-contaminated soils did not experience negative impacts and confirmed its potential role of plant species that can potentially be employed in aided phytostabilization.
Des sols contaminés uniquement en cadmium (Cd), depuis une longue période, ont d’abord été utilisés pour évaluer les effets d’exsudats racinaires de faible masse moléculaire, libérés dans un système modèle par un filtre placé à la surface du sol, sur les biomasses microbiennes carbonées et azotées, la respiration microbienne, le pool inorganique d’azote et la biodisponibilité de Cd dans la rhizosphère. Le cadmium a été apporté dans les parcelles (6 m X 3 m) d’un essai de longue durée (essai de longue durée AGIR, Bordeaux, France), sur la période 1988-1990, sous forme de Cd(NO3)2 et les concentrations en Cd variaient en 2003 de 0,7 à 38,7 mg Cd kg-1 sol d.w. dans l’horizon de surface (0-0.3 m) de ces sols sableux (Arenic Udifluvent). L’équivalent de 200 mg C kg-1 sol sous forme d’une solution modèle d’exsudats racinaires (MRE), de glucose, d’acide citrique ou d’acide glutamique ont été apportés à la surface du sol. Périodiquement, i.e. à t = 0, 4, 7, et 14 j, le sol a été échantillonné dans deux couches de sol distantes respectivement de 0–2 mm et 6–14 mm par rapport au-dessous de la surface du filtre, correspondant de façon arbitraire à la rhizosphère et au sol distant non rhizosphérique. Les concentrations totales croissantes en Cd du sol n’ont pas affecté la minéralisation des exsudats racinaires modèles (MRE), et la biomasse microbienne en C n’est pas diminuée. La biomasse microbienne en N est diminuée. La respiration microbienne a augmenté dans les sols plus contaminés. La fraction labile et la biodisponibilité du Cd des sols ont été ensuite déterminées par une extraction sélective et le biosenseur bactérien BIOMET®. La biodisponibilité de Cd, révélée par la bioluminescence des bactéries, n’a été détectée que dans les sols contaminés contenant 38,7 mg Cd kg-1. La biodisponibilité de Cd a été modifiée essentiellement en présence des acides citrique et glutamique. La quantité de Cd dans la fraction labile extraite par une solution 1M NH4NO3 1M était similaire dans les sols rhizosphériques et non-rhizosphériques. En général, la mobilité de Cd n’a pas été modifiée par la présence de la solution MRE. La solubilité de Cd était faible même dans les sols les plus contaminés, et ceci expliquerait l’absence d’effet négatif sur les paramètres biochimiques. La mobilité réduite du Cd serait attribuable aux propriétés tampons des sols de l’essai AGIR. Aucune modification du pH du sol n’a été mesurée même dans les sols des traitements à l’acide citrique. Les résultats des biosenseurs dans les sols les plus contaminés en Cd ont été en accord avec ceux de l’extraction sélective, indiquant à la fois une faible exposition au Cd et une faible bioaccumulation de Cd dans les bactéries. La possibilité d’utiliser une espèce végétale, Holcus lanatus L., pour la phytoremédiation aidée de sols contaminés en Cd a été étudiée de façon préliminaire en solution hydroponique sur une période de 4 semaines. Les plantes ont été pré-cultivées dans les parcelles AGIR contrôles (fonds pédogéochimique 0,7 mg Cd kg-1 d.w.) et fortement contaminées (38,7 mg Cd kg-1 d.w.), puis des transplants ont été prélevés. Les plantes, dont le système racinaire a été lavé, ont été placées dans une solution nutritive simulant la concentration en Cd extrait et le pH des sols (pH 7 et 5,5, respectivement) des parcelles d’origine. La concentration et la quantité de Cd ont été quantifiées dans les parties aériennes, les feuilles et les racines. On a mesuré les activités enzymatiques Guaiacol peroxidase (GuPx) dans les feuilles, ainsi que leur densité en chlorophylle et en caroténoïdes totaux afin de déterminer l’effet de l’exposition des plantes au Cd. Les plantes de H. lanatus cultivées sur les solutions de contrôle, non contaminées, ont donné les plus forts rendements en biomasse et les plus faibles concentrations en Cd. L’activité GuPx dans les feuilles était la plus élevée dans les plantes exposées aux solutions nutritives contaminées, en réponse aux conditions de stress oxydant induites par l’exposition au Cd et son accumulation dans les tissus des végétaux. Les densités de chlorophylle et de caroténoïdes totaux étaient clairement plus élevées dans les feuilles des plantes cultivées dans les solutions nutritives contrôles, non contaminées. Au même niveau d’exposition en Cd, la valeur du pH de la solution n’a pas eu d’effet sur la réponse des végétaux. Le cadmium s’est accumulé essentiellement dans les racines de H. lanatus, avec un faible pourcentage de translocation vers les parties aériennes. Il était donc probant d’utiliser cette espèce végétale pour des études de phytostabilisation aidée en laboratoire et en serre. L’assainissement des sols contaminés en Cd a été étudié en utilisant une technique de stabilisation in situ basée sur l’apport au sol de l’un des 3 composés inorganiques suivants: beringite+grenailles d’acier (5+1% w/w, pH 8.0), sépiolite (6% w/w, pH 8.5), et bentonite (6% w/w, pH 3.5). La concentration en Cd a été mesurée dans la solution du sol (prélevée par bougie poreuse de type Rhizon MOM) au cours des premiers jours suivants l’amendement du sol (t = 0, 2, 4, 7, et 14 j) et après 6 mois de réaction. La concentration en Cd dans la solution du sol a été diminuée dans les traitements par la sépiolite (réduction entre 50%-98,7% selon le niveau de contamination en Cd des sols) et par la combinaison beringite+grenailles d’acier (réduction entre 30,4% et 84,6%). Le traitement par la bentonite, à cause de son faible pH, a initialement augmenté la concentration en Cd dans la solution du sol. L’efficacité de la remédiation des sols contaminés en Cd par stabilisation in situ a été évaluée en vase de végétation placés sous serre, avec 3 végétaux de sensibilité différente à l’exposition au Cd (sensible: Phaseolus vulgaris L., moyennement tolérante: Holcus lanatus, et tolérante: Lactuca sativa L. var ”smeraldo”). Les symptômes visibles de stress sur les parties aériennes et les paramètres biométriques des 3 végétaux ont été déterminés. La densité de chlorophylle totale a été mesurée. Aucun symptôme visible n’a été détecté sur les parties aériennes des végétaux. Bien que l’amendement du sol ait diminué la concentration en Cd dans la solution du sol, une attention doit être portée sur les conditions de sol crées par les amendements. Certains d’entre eux augmentent la rétention de l’eau ou favorisent la compaction du sol. Ceci a eu des répercussions négatives sur la croissance des végétaux, plus importantes d’ailleurs que les perturbations générées par la présence du Cd dans le sol. Il s’agit en particulier de la croissance de la laitue dans les sols amendés avec la bentonite, sa croissance étant limitée quel que soit le niveau de contamination en Cd du sol. D’après la biomasse de parties aériennes produites, H. lanatus, cultivée sur les sols contaminés en Cd et amendés, n’indiquait pas d’effet négatif. Ceci a confirmé cette espèce végétale comme un candidat possible pouvant être employé pour une remédiation de sols contaminés en Cd utilisant la phytostabilisation aidée.