Réponse de Brassicacées hyperaccumulatrices à la disponibilité du nickel des sols ultramafiques, Response of Brassicaceae hyperaccumulators to nickel availability in ultramafic soils
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Thèse soutenue le 09 juillet 2007: INPL
Les plantes hyperaccumulatrices de métaux ont développé des mécanismes spécifiques de prélèvement de la fraction disponible des métaux du sol, conduisant à leur accumulation dans les parties aériennes. L’utilisation agronomique de ces plantes pourrait être une voie de dépollution des sols contaminés en métaux. Ce travail a pour objectif de contribuer à la compréhension des mécanismes chimiques et biologiques qui conditionnent l’accumulation du Ni par les plantes hyperaccumulatrices, en réponse à la disponibilité du métal dans le sol. Après observation du fonctionnement naturel du système sol ultramafique-plante hyperaccumulatrice, nous avons étudié, en laboratoire, l’altération de trois phases minérales nickélifères modèles communes des sols ultramafiques (chrysotile, smectite, goethite) soumises à l’influence de trois Brassicacées hyperaccumulatrices de Ni natives de sites de serpentine d’Europe (Leptoplax emarginata, Alyssum murale et Thlaspi caerulescens). Les résultats montrent que dans les sols ultramafiques, le Ni phytodisponible provient majoritairement de l’altération des minéraux nickélifères silicatés ferromagnésiens, hérités de la roche mère. Les hyperaccumulateurs ont un comportement différent en fonction de la disponibilité du Ni des sols. Dans les milieux à forte disponibilité du Ni, les hyperaccumulateurs accumulent le Ni proportionnellement à la disponibilité du Ni du milieu. Elles réduisent ainsi significativement la fraction de Ni initialement disponible du milieu, et ne semblent pas favoriser la dissolution des minéraux porteurs de Ni. A l’inverse, dans les milieux à faible disponibilité du Ni, la présence des hyperaccumulateurs accélère la dissolution de phases minérales nickélifères silicatées, en favorisant la solubilisation du métal. Dans ce cas la plante prélève la quasi-totalité du Ni solubilisé. Ces résultats sont essentiels à l’élaboration d’un modèle de culture qui permettra de faciliter l’application du procédé de phytoextraction du Ni à grande échelle
-Métallophytes
-Altération des minéraux
-Serpentine
-Phytoremédiation
-Spéciation
Metal hyperaccumulator plants developed specific mechanisms to extract available metals from the soil and consequently accumulate them in aerial parts. The agronomic use of these plants for the decontamination of metal polluted soils is under study worlwide. This work was undertaken to better elucidate the chemical and physiological mechanisms that influence Ni accumulation by hyperaccumulators in response of Ni availability in soils. To answer these questions we undertook two approaches. Firstly, a site study to determine the natural functioning of the ultramafic soil-Ni hyperaccumulators system. Secondly, a lab-scale set of experiments that were designed to study the weathering of three ultramafic Ni-minerals (chrysotile, smectite, goethite) in the rhizosphere of three Ni-hyperaccumulating species naturally growing on European serpentine soils (Leptoplax emarginata, Alyssum murale et Thlaspi caerulescens). Results showed that, in ultramafic soils, phytoavailable Ni derives from the weathering of primary nickeliferous ferromagnesian silicates. Hyperaccumulators show a different behaviour depending of Ni availability in the environment of the culture. In environments showing high available Ni, hyperaccumulators accumulate Ni proportionally to Ni availability. In this way, they can significantly reduce the initially available fraction of Ni but do not seem to enhance the weathering of unavailable Ni forms. Contrarily, in environments with extremely low Ni availability, hyperaccumulators may strongly enhance the dissolution of nickeliferous silicate minerals and so favour Ni solubilisation. If so, hyperaccumulators absorb the majority of Ni solubilised. These results are of considerable interest for the elaboration of a crop model designed for the optimisation of the phytoextraction concept and high scale application
-Metallophytes
-Mineral weathering
-Phytoremediation
-Serpentine
-Speciation
Source: http://www.theses.fr/2007INPL045N/document
AVERTISSEMENT
Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
universitaire élargie.
Il est soumis à la propriété intellectuelle de l’auteur au même titre que sa
version papier. Ceci implique une obligation de citation et de
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poursuite pénale.
Contact SCD INPL : scdinpl@inpl-nancy.fr
LIENS
Code de la propriété intellectuelle. Articles L 122.4
Code de la propriété intellectuelle. Articles L 335.2 – L 335.10
http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole Nationale Supérieure d'Agronomie et des Industries Alimentaires
Ecole doctorale Ressources, Procédés, Produits et Environnement
Laboratoire Sols et Environnement UMR 1120 INPL/INRA
THESE
Présentée en vue de l'obtention du titre de
Docteur de l'Institut National Polytechnique de Lorraine
Spécialité Sciences Agronomiques
par
Vanessa CHARDOT
Réponse de Brassicacées hyperaccumulatrices
à la disponibilité du nickel des sols ultramafiques
Date de soutenance : 9 juillet 2007
Composition du jury :
Catherine KELLER. Professeur, CEREGE, Université Aix-Marseille III. Rapporteur
Nathalie VERBRUGGEN. Professeur, Université Libre de Bruxelles, Belgique. Rapporteur
Hubert BRIL. Professeur, Université de Limoge. Président
Marie-Pierre TURPAULT. Chargée de Recherche, INRA, Nancy. Examinateur
Emmanuelle MONTARGES-PELLETIER. Chargée de Recherche, CNRS-LEM, Nancy. Membre invité
Membre invité Jean-Pierre VERGER. Docteur d'Etat, Maître de Conférence retraité, Limoge.
Guillaume ECHEVARRIA. Maître de Conférence HDR, ENSAIA-INPL, Nancy. Co-directeur
Jean Louis MOREL. Professeur, ENSAIA-INPL, Nancy. Directeur
REMERCIEMENTS
Ces quatre années de thèse ont été pour moi des années très enrichissantes d'un point de vue
professionnelle et personnel. Au cours de celles-ci j'ai croisé la route de nombreuses
personnes qui m'ont permis d'avancer. Je souhaite au terme de ce travail les remercier.
Je souhaite en premier lieu remercier le Ministère de l'Education Nationale, de la Recherche
et de la Technologie qui m'a offert une aide financière tout au long de mes études supérieures
et qui est à l'origine du financement de ma thèse.
Un grand merci a mon directeur de thèse Jean Louis Morel qui m'a accueilli au sein de son
Laboratoire dès mon stage DEA, et m'a permis de me pencher sur un projet de recherche qui
me tenait vraiment à cœur.
Un grand merci également à mon co-directeur de thèse Guillaume Echevarria, qui a pendant
quatre ans partager avec moi ses connaissances et aussi son bureau. Muito obrigada pela
maneira simpatica como me recebeu, pelo teu ayuda e sobretudo pelo teu amizade durante
estas quatro anos ;)
Merci aux membres du jury, Hubert Bril, Catherine Keller, Emmanuelle Montargès-
Pelletier, Marie-Pierre Turpault, Nathalie Verbruggen et Jean-Pierre Verger pour avoir
accepté d’évaluer ce travail.
Je tiens particulièrement à remercier les personnes avec qui j'ai collaboré : Emmanuelle
Montargès-Pelletier (je n'oublierai pas l'expérience de nos folles journées et nuits "EXAFS"),
Thierry Becquer (merci de m’avoir accueilli dans ta famille lors de nos missions au Brésil),
Marie-Pierre Turpault, Geneviève Villemin, Stéphanie Ouvrard, François Bartoli, Jaafar
Ganbaja.
Merci à tous les membres du Laboratoire qui m’ont accompagné pendant ces quatre
années :
Michel Gury pour m'avoir fait connaître et apprécier la science du sol lors de ses cours de
maîtrise ; Catherine Sirguey pour son aide à l'ICP et au four ; Denis Vein et Michel Schiavon
pour m'avoir guider vers ma soutenance en me donnant de leur temps et de précieux conseils ;
Liliane Laurent pour ses solutions miracles à tout, et ses éclats de rire retentissants.
Adeline et ses drôles de p'tites bêtes, Stéph, Bernard et Alain les rois du bricolage et
surtout de la fabrication de rhizotron ;) , Jean-Claude le travolta des lames de sols, Olivier et
Adrien les as de l'informatique.
Tous les doctorants et stagiaires avec qui j'ai partagé ces années folles : la chtite doudou
Sandrine, chef des plannings ;) , Abduldul le plus cool des plus cool de l'univers :) ,
Christophe Calva et Bruno mes compagnons de colonnes lysimétriques et du tour de France ;)
Djé le magicien fou, Marie-France, Valérie, Clém, Aïda, et tous les autres…
Enfin, je remercie et je dédie cette thèse à ma famille et mes amis, et tout particulièrement
à ma grandi sœur et à mon mikachou, qui m'ont accompagné, motivé et énormément soutenu
pendant ces quatre ans.
Table des matières
Introduction générale................................................................................................................ 1
Chapitre I................................................................................................................................... 6
Localisation, spéciation et disponibilité du nickel lors de son transfert du sol vers la plante
hyperaccumulatrice
1. Le nickel dans les sols ........................................................................................................... 7
1.1. Origine et localisation du nickel dans les sols.................................................................... 7
1.1.1. Origine géochimique ....................................................................................................................... 7
1.1.2. Apports naturels et anthropiques..................................................................................................... 9
1.1.3. Localisation du Ni dans les sols ...................................................................................................... 9
1.2. Teneurs du Ni dans les sols................................................................................................ 10
1.3. Spéciation du Ni dans les sols............................................................................................ 10
1.3.1. Spéciation du Ni en solution ......................................................................................................... 10
1.3.2. Sorption des métaux sur les constituants du sol ............................................................................ 11
A. L’adsorption .................................................................................................................................. 11
a. Couche diffuse d’ion ................................................................................................................ 11
b. Adsorption non spécifique (physisorption)............................................................................... 12
c. Adsorption spécifique (Chimisorption) .................................................................................... 12
B. Les substitutions isomorphiques ................................................................................................... 12
C. La précipitation et la co-précipitation............................................................................................ 13
1.4. Caractérisation des principales phases porteuses de Ni présentes dans les sols
ultramafiques................................................................................................................................... 13
1.4.1. Les phyllosilicates......................................................................................................................... 13
A. Les smectites ................................................................................................................................. 13
a. Généralités................................................................................................................................ 13
b. Exemple de la montmorillonite ................................................................................................ 14
B. Les talcs......................................................................................................................................... 15
C. Les chlorites .................................................................................................................................. 15
D. Les serpentines .................................................
