PHYTOREMÉDIATION
La phytoremédiation est la dépollution des sols, l'épuration des eaux usées ou l'assainissement de l'air intérieur, utilisant des plantes vasculaires, des algues (phycoremédiation) ou des champignons (mycoremédiation), et par extension des écosystèmes qui supportent ces végétaux. Ainsi on élimine ou contrôle des contaminations. La dégradation de composés nocifs est accélérée par l'activité microbienne.
Définition
L’étymologie provient du grec « phyton » = plante, et du latin « remedium » = rétablissement de l'équilibre, remédiation. La phytoremédiation n'est pas un concept nouveau puisqu'il y a 3 000 ans les hommes utilisaient déjà les capacités épuratoires des plantes pour le traitement de l'eau. Depuis les années 1970 cette pratique a trouvé un regain d'intérêt notamment pour le traitement des pesticides et des métaux.
La phytoremédiation est un ensemble de technologies utilisant les plantes pour réduire, dégrader ou immobiliser des composés organiques polluants (naturels ou de synthèse) du sol, de l’eau ou de l'air provenant d'activités humaines. Cette technique permet également de traiter des pollutions inorganiques, tels qu'éléments traces métalliques ou radionucléides.
Au-delà de la dépollution, la phytoremédiation permet la valorisation des sites pollués tels que les friches industrielles. De plus, elle est intégrée dans l’intérêt socio-économique à cause de son faible coût et son intérêt pour l'aménagement paysager. Aussi, grâce à la phytoextraction, les métaux stockés dans les feuilles et tiges peuvent être réutilisés en écocatalyseur dans les procédés pharmaceutiques et chimiques.
Principe
La phytoremédiation repose essentiellement sur les interactions entre les plantes, le sol et les micro-organismes. Le sol est une matrice complexe servant de support au développement des plantes et des micro-organismes qui se nourrissent des composés organiques ou inorganiques le composant. Lorsque certains de ces composés sont en excès par rapport à l'état initial du sol, ce dernier est qualifié de contaminé (cela s'applique aussi à l'eau et à l'air qui à la différence sont des fluides). Les composés en excès peuvent alors être utilisés comme source d'énergie par les plantes et les micro-organismes. Dans le système plante - sol - micro-organismes, la biodégradation bactérienne est souvent en amont de l'absorption racinaire. Plantes et micro-organismes ont coévolué pour disposer d’une stratégie à bénéfices mutuels pour gérer la phytotoxicité où les micro-organismes profitent des exsudats racinaires, alors même que la plante bénéficie des capacités de dégradation des micro-organismes rhizosphériques pour réduire le stress dû à la phytotoxicité. Finalement, la plante est l'agent essentiel de l'exportation d'un contaminant hors du milieu environnant.
Effet rhizosphérique
Selon Eldor A. Paul, la rhizosphère, terme introduit en 1904 par Hiltner, décrit la portion de sol dans laquelle les processus médiés par les micro-organismes se produisent sous l’influence du système racinaire. Elle s’étend de quelques millimètres depuis la surface des racines[6]. Cette zone entourant les racines des plantes, joue un rôle crucial dans la phytoremédiation. Les plantes modifient les propriétés physico-chimiques et biologiques de cette zone par la sécrétion d'exsudats racinaires et la pénétration des racines dans le sol. Ces exsudats stimulent l'activité microbienne, favorisant ainsi la dégradation des contaminants présents dans la rhizosphère. Ce processus, appelé rhizodégradation ou phytostimulation, est essentiel pour la décomposition des polluants organiques. Les processus qui se déroulent dans la rhizosphère sont essentiels pour la phytoremédiation. L'activité et la biomasse microbienne y sont beaucoup plus importantes que dans un sol sans racines. Les racines libèrent naturellement des substances dans le sol où elles se développent, par les exsudats racinaires. Ceux-ci favorisent et entretiennent le développement des colonies microbiennes en fournissant de 10 à 20 % des sucres produits par l'activité photosynthétique de la plante (photosynthétats). De nombreux composés peuvent ainsi être libérés, par exemple, des hormones, des enzymes ainsi que de l'oxygène et de l'eau. Les micro-organismes rhizosphériques en retour favorisent la croissance de la plante (réduction des pathogènes, mise à disposition de nutriments…). En théorie, plus les racines sont abondantes plus elles fournissent une surface de développement importante pour la microfaune et microflore rhizosphérique. De fait, les exsudats racinaires favorisent la biodégradation des polluants organiques en stimulant l'activité microbienne.
En effet, dans la rhizosphère, les champignons développant des mycorhizes (Aspergillus p, Penicillium sp, …) ou les bactéries (Pseudomonas sp, Xanthomonas sp,…), ont la capacité de dégrader les composés organiques présents dans le sol ; ceux-ci étant hétérotrophes, ils se nourrissent de cette matière organique après l’avoir dégradée grâce à des enzymes digestives qu’ils sécrètent[8]. Les champignons et les bactéries qui vivent au niveau de la rhizosphère utilisent les exsudats libérés par les racines pour leur croissance et leur activité métabolique, ce qui explique pourquoi leur nombre est deux à quatre fois plus important dans cette région du sol.
Les principaux polluants organiques capables d’être traités par rhizodégradation sont les hydrocarbures totaux (HCT) et les BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes). Mais d’autres molécules organiques telles que les hydrocarbures aromatiques polycycliques HAP et les solvants chlorés sont également susceptibles d’être traitées. D’autres molécules organiques encore sont également considérées comme dégradables par un tel procédé mais peu de retours d’expérience en conditions de terrain figurent dans la littérature.
Cependant il a été montré que lorsque certaines plantes étaient présentes sur un sol pollué par des composés organiques difficilement dégradables, cette biodégradation se faisait plus efficacement.
Principe de décontamination
Brièvement, les plantes vont soit absorber le contaminant pour le métaboliser ou le stocker, soit réduire voire empêcher la libération du contaminant dans d'autres compartiments de l'environnement (phytostabilisation). Le plus souvent, les composés organiques (xénobiotiques ou non) peuvent être dégradés et métabolisés pour la croissance de la plante. Le polluant est alors éliminé. Lorsqu'il s'agit de composés inorganiques polluants (métaux, métalloïdes ou radionucléides), il ne peut y avoir que phytostabilisation ou phytoextraction car ces types de polluants ne sont pas biodégradables.
La phytoremédiation englobe plusieurs mécanismes de décontamination :
Phytoextraction : Les plantes absorbent les contaminants du sol ou de l'eau et les accumulent dans leurs tissus. Après croissance, ces plantes sont récoltées et traitées pour éliminer les polluants. Cette méthode est particulièrement efficace pour les métaux lourds tels que le cuivre, l'argent, l'or, le mercure, le zinc, le cadmium, le fer et le plomb. C’est la voie dans laquelle les chercheurs se sont le plus investis depuis le début de cette décennie. La phytoextraction utilise des plantes capables de prélever les éléments traces toxiques et de les accumuler dans les parties aériennes qui seront ensuite récoltées puis incinérées. Les cendres seraient alors mises en décharges ou mieux utilisées en métallurgie. Deux stratégies sont actuellement développées dans la phytoextraction. Il y a la phytoextraction assistée par des chélateurs de métaux. Cette méthode est désignée également par la phytoextraction induite et d’autre part la phytoextraction continue. Parmi ces deux procédés, la phytoextraction assistée est la plus développée. Cependant, la phytoextraction continue commence à être appliquée pour la dépollution des métaux lourds (zinc, cadmium, nickel) et des métalloïdes (Sélénium, Arsenic). Les deux stratégies ont fait l’objet d’essais en plein champ et les résultats, bien que encourageants, nécessitent plus d’efforts pour améliorer le processus.
Phytostabilisation : Les plantes immobilisent les contaminants dans le sol en les absorbant dans leurs racines ou en les précipitant dans la rhizosphère, réduisant ainsi leur mobilité et leur dispersion dans l'environnement. Cette technique est utilisée pour limiter la propagation des métaux lourds et des métalloïdes. Cette dernière consiste à installer des végétaux tolérants la présence de polluants toxiques dans le sol. Ils limitent aussi l’érosion et empêchent que les poussières passent dans l’atmosphère. Ils peuvent également sécréter des substances qui stabilisent chimiquement les métaux lourds au niveau de la rhizosphère, évitant en particulier leur migration vers les eaux de ruissellement et souterraines. Les plantes pouvant également accumuler les métaux lourds dans leur système racinaire sont intéressantes pour la phytostabilisation.
Phytodégradation : Les plantes décomposent les contaminants organiques en substances moins toxiques grâce à des enzymes produites par leurs racines ou en collaboration avec des micro-organismes présents dans la rhizosphère. Cette méthode est efficace pour les polluants organiques tels que les pesticides et les solvants. Les champignons et les bactéries qui vivent au niveau de la rhizosphère utilisent les exsudats libérés par les racines pour leur croissance et leur activité métabolique, ce qui explique pourquoi leur nombre est deux à quatre fois plus important dans cette région du sol. Comme les microorganismes peuvent également dégrader les polluants, il n’est pas étonnant de constater une accélération de la bioremédiation dans les sols recouverts d’une végétation par rapport aux sols dénudés. Certains composés phénoliques sécrétés par les racines sont utilisés en tant que co-métabolites par les bactéries dégradant des composés polychlorobenzoiques. En plus de la sécrétion des composés organiques, les plantes peuvent également libérer dans le sol des enzymes capables de dégrader les polluants organiques les plus récalcitrants. A titre d’exemple, on peut citer la dégradation des explosifs (le trinitrotoluène, le dinitromonoaminotoluène et mononitrodiaminotoluène) qui est catalysée par la nitroréductase.
Phytovolatilisation : Les plantes absorbent les contaminants du sol ou de l'eau, puis les transforment en composés volatils qu'elles relâchent dans l'atmosphère. Cette technique est notamment utilisée pour certains composés organiques volatils et le mercure.
