Chemical and biological factors influencing heavy metal mobilisation in the rhizosphere: implications for phytoremediation

The thesis aims at investigating the potential of phytoremediation on a heavy metal contaminated soil with very low nutrient content, low organic carbon and acidic pH. The soil originates from the Ronneburg mining district in Thuringia (Germany) which was the third largest uranium-producing area worldwide. The mining activities strongly altered the hydrogeology of the area. The acidic and highly mineralised solutions caused by leaching of waste heaps infiltrated into the soil and underlying sediments and polluted the water-soil system with high concentrations of Mn, Al, Ni, U, and Rare Earth Elements (REE). Despite remediation activities since the 1990s, contamination is still measurable. Since the soil pH is quite low (pH 4-4.5), the mobility and bioavailability of trace elements is high and so the amounts taken up by plants are significant. So, to study the interaction between soil trace elements and plants, in particular via root exudates, four plant species were chosen: Triticale (× Triticosecale), sunflower (Helianthus annuus), red fescue (Festuca rubra) and red clover (Trifolium pratense), grown as monoculture and polyculture. The last two were used for microbial studies, including the isolation and characterisation of endophytes potentially useful for remediation enhancement. The substrate at the study area has been extensively characterised, and sequential extraction already allowed predictions about possible bioavailability of metals. However, the active influence of plants and their root exudates were not taken into consideration. Therefore, in a first part, REE will be used as a way to study root impact on element mobilisation, by comparing leaching by different organic and inorganic solutions. REE form a consistent group of so called metals, whose pattern, resulting from normalisation to a standard, can be used to describe different processes of dissolution and preferential precipitation. Our study shows that metals (REE) are mobilised in a different way by acidic solutions of different origin, and that organic acids lead to a different fractionation than inorganic ones. REE pattern changes were also observed in plants and their rhizosphere. The amounts of soluble trace elements decreased in the rhizosphere zone, while pH increased. Based on the analysis of REE patterns, it seemed that organic substances, like organic acids were an important factor that mobilises metals in the rhizosphere and allows their uptake into the plant. Furthermore, combined cultivation generally had a beneficial effect on plant growth; plants showed later necrosis and had a higher biomass production in relation to the initial seed quantity. Plants also had a clear effect on the soil structure: especially clover and red fescue were producing extended root networks, holding the soil. Festuca especially retained water. These features were considered to be interesting for remediation in sites with an erosion risk. Microorganisms living around and inside the plants also influence their growth and mineral uptake. If more is known about these, they can be used, if chosen well, to enhance phytoremediation processes, especially on soil poor in nutrients. In the present study we concentrated on bacteria living inside the plant tissues, and isolated, characterised and finally identified the cultivable ones. 78 stable, morphologically distinct isolates were obtained, belonging to 32 genera, although 12 isolates could not be identified. The identified endophytic community was different for the 2 studied plants, so it seems that a selection took place. The endophytic bacteria showed additionally clear spatial compartmentalisation within the plant, suggesting that they can form specific associations with plant tissue. Furthermore, the specificity of some strains for some compartments suggests that different uptake mechanisms for different plant tissues exist. They were found to be more diverse in the upper parts of the plants. Nevertheless, several strains isolated from roots could not be identified. Many of the isolated genera are very similar to known plant endophytes, and a large number of them are also related to strains used to support phytoremediation, mostly on sites contaminated with organic pollutants. A number of isolates demonstrated the capacity to produce plant growth promoting substances and resistance to the trace elements enriched in the contaminant soil. As a consequence, some of these strains were used to promote growth of Festuca rubra and Trifolium pratense, and were inoculated separately to each plant and also as bacterial consortia of 2 or 3 strains. The inoculated plants showed better growth, higher plant density, healthier appearance, better and denser developed root network which, by consequence, was leading to a better soil structure. Moreover, the inoculated plants showed a higher photosynthetic efficiency, which can be interpreted as an improved fitness due to a better stress resistance. Further, the positive effect of the bacteria is enhanced in case consortia of strains are used. The effect of bacteria on trace element mobility and metal uptake depends mainly on the element itself: for instance Al was less present in the soluble fraction of the soil, and Mn more mobile in the soil after the combined action of plants and microbial consortia. Zn on the other hand was not influenced. As the studied plants have a clear influence on metal mobility and pH, it is useful to use wisely their properties for remediation purposes. There is a large number of symbiotic bacteria described, which are living inside their tissue, and a notable part of them show promising properties for the support of plant growth and remediation. We suggest therefore using Festuca and Trifolium as complement to extracting, hyper-accumulating plants or to stabilising plants, in order to increase soil fertility and protection of soil erosion via the dense root network. Festuca is more influenced by bacteria concerning its root development, so should therefore get particular attention when it comes to choosing plant populations for remediation. It is also of importance to combine plants of different species to ensure long-term system stability.Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Potenzials für Phytoremediation auf einem mit Schwermetallen kontaminierten Boden mit sehr geringem Nährstoffgehalt, niedrigem organischem Kohlenstoffgehalt und saurem pH-Wert. Der Boden stammt aus dem ehemaligen Bergbaugebiet Ronneburg in Thüringen (Deutschland), das der drittgrößte Uranproduzent weltweit war. Die Bergbauaktivitäten veränderten tiefgehend die Hydrogeologie des Gebietes. Die sauren und stark mineralhaltigen Abwässer, die durch Auslaugen der Halden entstanden, sickerten in den Boden und kontaminierten das Wasser-Boden-System mit hohen Mengen an Mangan, Aluminium, Nickel, Uran sowie Seltenen Erdelementen (SEE). Trotz umfangreicher Sanierungsaktivitäten seit den 1990er Jahren xx ist die Kontamination noch an vielen Stellen messbar. Da der Boden-pH ziemlich sauer ist (pH 4-4,5), ist die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Spurenelementen hoch und die von Pflanzen aufgenommen Mengen signifikant. Um die Wechselwirkung zwischen Bodenelemente und Pflanzen zu untersuchen, insbesondere durch die Wurzelexudate, wurden vier Pflanzenarten ausgewählt: Triticale (× Triticosecale), Sonnenblumen (Helianthus annuus), Rotschwingel (Festuca rubra) und Rotklee (Trifolium pratense), die als Monokutur sowie als Polykultur kultiviert wurden. Nur die beiden letzten Pflanzenarten wurden für spätere mikrobiologische Untersuchungen verwendet, insbesondere für die Isolierung und Charakterisierung von potentiell nützlichen Endophyten in Hinblick auf Sanierungszwecke. Das Substrat wurde umfassend charakterisiert und mithilfe sequentieller Extraktion konnten bereits Aussagen über den bioverfügbaren Metallanteil getroffen werden. Allerdings wurde der aktive Einfluss von Pflanzen und deren Wurzelausscheidungen nicht berücksichtigt. Daher werden im ersten Teil SEE zur Hilfe gezogen, um den Einfluss von Wurzelexudaten zu untersuchen, indem Elutionen mittels verschiedener organischer sowie anorganischer Lösungen und die daraus entstandenen SEE Muster verglichen werden. SEE bilden eine konsistente Gruppe von so genannten Metallen, deren Muster, das sich aus der Normalisierung zu einem Standard ergeben, für die Beschreibung unterschiedlicher Lösungs- und Präzipitationsprozesse benutzt werden kann. Unsere Studie zeigt, dass Metalle (inkl. SEE) in unterschiedlicher Weise durch verschiedene saure Lösungen mobilisiert werden und dass organischen Säuren zu einer anderen Fraktionierung führen als anorganische. SEE-Muster Veränderungen wurden auch in den Pflanzen und in ihrer Rhizosphäre beobachtet. Die Menge löslicher Spurenelemente nahm in der Rhizosphärenzone ab, während der pH-Wert zunahm. Basierend auf der Analyse von SEE-Mustern scheint es, dass organische Substanzen wie organische Säuren ein wichtiger Faktor sind, der Metalle in der Rhizosphäre mobilisiert und deren Aufnahme in die Pflanze ermöglicht.Weiters ergab sich, dass die Polykultur einen positiven Effekt auf die Pflanzen hatte; sie zeigten später Nekrosen und hatten eine höhere Biomasseproduktion in Bezug auf die ursprüngliche Menge Samen. Die Pflanzen hatten auch eine deutliche Wirkung auf die Bodenstruktur: vor allem Klee und Rotschwingel produzierten ein stark ausgebildetes Wurzelnetzwerk, das den Boden festigt; insbesondere Festuca konnte dadurch viel Wasser zurückhalten. Diese Eigenschaften sind vor allem für die Sanierung von Standorten mit Erosionsgefährdung wichtig. Die Pflanzen und ihre Spurenelement-Aufnahme können durch viele andere Faktoren beeinflusst werden, da sie einen eigenen Mikrokosmos in ihrer Rhizosphäre bilden. Mikroorganismen, die um und in der Pflanze leben, beeinflussen ebenfalls deren Wachstum und Mineralstoff-Aufnahme. Wenn mehr über diese bekannt ist, können sorgfältig ausgewählte unter ihnen verwendet werden, um Phytosanierungsprozesse, inbesondere auf nährstoffarmen Böden zu verbessern. In der vorliegenden Studie wurde der Fokus auf Bakterien, die innerhalb des Pflanzengewebes leben, gerichtet und die kultivierbaren unter ihnen wurden isoliert, charakterisiert und schließlich identifiziert. Es ergaben sich 78 stabile, morphologisch unterschiedliche Isolate, aus 32 Gattungen; 12 Isolate konnten aber nicht identifiziert werden. Die identifizierte endophytische Population war unterschiedlich für die 2 untersuchten Pflanzen, anscheinend fand eine Selektion statt. Die endophytischen Bakterien zeigten außerdem eine klare räumliche Trennung innerhalb der Pflanze, was darauf hindeutet, dass sie charakteristische Assoziationen mit bestimmten pflanzlichen Geweben bildeten. Darüber hinaus deutete die Spezifität einiger Stämme für bestimmte Kompartimente auf unterschiedliche Aufnahmemechanismen für unterschiedliche Pflanzengewebe hin. Die Diversität war größer in den oberen Pflanzenteilen. Allerdings konnten mehrere Stämme aus den Wurzeln nicht identifiziert werden. Viele der gefundenen Gattungen sind bekannten Pflanzenendophyten ähnlich und viele von ihnen werden auch verwendet, um Phytosanierung zu unterstützen, vor allem auf Standorten, die mit organischen Kontaminanten belastet sind. Eine beachliche Anzahl der Isolaten zeigte Resistenz gegen toxische Metalle, die in dem Substrat vorhanden sind, sowie die Fähigkeit, Pflanzenwachstum fördernde Substanzen zu bilden. Daher wurden einige dieser Stämme verwendet, um das Wachstum von Festuca rubra und Trifolium pratense zu fördern; sie wurden einzeln sowie als Konsortien von 2 oder 3 Stämmen inokuliert. Die inokulierten Pflanzen zeigten ein besseres Wachstum, eine höhere Pflanzendichte, gesünderes Aussehen, ein besser und dichter entwickeltes Wurzelsystem, das zu einer besseren Bodenstruktur führte. Die inokulierten Pflanzen zeigten außerdem eine höhere photosynthetische Effizienz, die als eine verbesserte Stressresistenz interpretiert werden kann. Weiters ist die positive Wirkung der Bakterien erhöht, wenn mikrobielle Konsortien verwendet werden. Die Wirkung von Bakterien auf Spurenelement-Mobilität und Metallaufnahme hängt vor allem von dem Element selbst ab: zum Beispiel war Aluminium nach der kombinierten Wirkung von Pflanzen und mikrobiellen Konsortien in geringeren Mengen in der löslichen Fraktion des Bodens vorhanden und Mangan im Gegenteil mobiler im Boden. Zink andererseits wurde nicht beeinflusst. Da die verwendeten Pflanzen eine klare Wirkung auf die Metallmobilität und den pH-Wert zeigen, ist es von Vorteil diese Eigenschaften gezielt zu nutzen. Eine große Anzahl an endosymbiotischen Bakterien wurde beschrieben und ein großer Anteil davon zeigt vielversprechende Eigenschaften für die Verbesserung von Pflanzenwachstum und Phytoremediation. Wir empfehlen daher die Verwendung von Festuca und Trifolium als Ergänzung zu extrahierenden, Metall-Hyperakkumulator Pflanzen, oder zu stabilisierenden Pflanzen, um einerseits die Bodenfruchtbarkeit zu erhöhen und andererseits als Erosionsschutz wegen des dichten Wurzelwerks. Am meisten wird die Wurzelentwicklung von Festuca durch Bakterien beeinflusst, daher sollte bei der Auswahl von Pflanzenarten für die Sanierung dieser Pflanze besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Es könnte auch hilfreich sein, Pflanzen verschiedener Arten zu kombinieren, um eine langfristige Stabilität des Systems zu gewährleisten

La plume et l'orgueil. Noël Vallant (1632-1685), médecin des duchesses de Guise. Identité et écriture de soi dans les écrits du for privé

Mémoire poursuivi en M2Me scripto ergo sum. That is how one could define Noël Vallant's (1632-1685) writing activities among his whole life. He was a medicine doctor born in Vivarais and climbed, in Paris, the social ladder in an outstanding way. In his writings of the self, a livre de raison, a Mémoire de mes meubles and even in the mere compilation of letters, bills and various papers kept in the manuscripts department of the Bibliothèque Nationale de France, he wrote his social level and his identity, for himself, maybe for others. This value of identity holder, that one recognise in the writings of the self, will be discussed in three ways. The beginning of a new book, the material description of it and the kind of information written are crucial parts. But the social and material environment of the writer as they can be seen on the writings of the self will be matters of interest as well.Me scripto ergo sum. Ainsi pourrait-on qualifier l'œuvre de Noël Vallant (1632-1685), médecin d'origine vivaroise ayant connu à Paris une ascension sociale hors norme. Par son livre-journal, son Mémoire de mes meubles et même par la compilation de lettres, billets et documents divers conservés par le département des manuscrits de la BNF, il écrivit son statut et son identité, pour lui-même, pour les autres peut-être. C'est ici en trois volets que l'on cherche à montrer cette valeur identitaire et statutaire de l'ego-document. L'entrée en écriture, la matérialité du livre-objet ainsi que les types de contenus sont d'une importance cruciale. Mais c'est aussi son existence sociale ainsi que son environnement matériel tels qu'ils sont décelables dans les écrits de son for privé qui seront discutés

Simplify or complexify?

Simplify or complexify? Is a more simplified and predictable model also the more stable and resilient on the long term? Few thoughts, from trivial life examples to innovation applied to agriculture

Schematic view of positive and negative yield gap with different types of soil management

Schematic view of biomass production following different methods of crop production. This shows with imaginary numbers the possibilities of intercropping, and the importance of keeping intercropping or double cropping in mind when thinking of alternative agricultural models, as it could mean higher over all yieds

Leucoagaricus cupresseus (Burlingham) Boisselet Guinberteau comb. nov., une lépiote cupressicole d'origine américaine récoltée en France

National audienc

Inventaire des communautés fongiques liées au Cupressus macrocarpa en zone littorale atlantique et données récentes sur les populations sauvages d'Agaricus bisporus

National audienc

Des mots bizarroïdes en B D

Graviception, Proprioception…vous connaissez ? Autant de mots improbables dont on ne suppose pas forcément l’existence et la signification, sauf si on a suivi les vœux du Centre début janvier. Explications ludiques et simples en BD, grâce à un dessinateur venu en immersion à l’UMR Piaf dans l’équipe MECA en fin d’année dernière

Herbivory increases on freshwater plants exposed to artificial light at night

International audienceArtificial light at night (ALAN) is recognized as one of the major anthropogenic pollutants jeopardizing biodiversity at a global scale. Few studies have focused on the impacts of nocturnal light on freshwater ecosystems despite their increasing exposure to light pollution worldwide due to human activities along rivers or lakes. By modifying metabolism, the disruption of natural light regime could modify the leaf palatability and affect the plant-herbivore interactions which can partly determine the structure of macrophyte communities. By experimentally mimicking light conditions from sub-urban areas, we measured the effects of low-level light at night on the leaf traits of an aquatic plant, Ceratophyllum demersum, and herbivory by the snail Lymnaea stagnalis, a generalist feeder. We demonstrate that artificial light at night increases the herbivory rate: leaves of C. demersum that had been exposed to ALAN for three months were 1.6 times more consumed by L. stagnalis than control leaves. The increase in C. demersum palatability to the pond snail when plants were exposed to ALAN was not due to a decrease in dry matter content or to a modification of the biomechanical characteristics of the leaves. Because snails have not been exposed to nocturnal light before or during the herbivory experiment, this increase in leaf palatability, is possibly linked to modifications of primary and/or secondary metabolism. Our results suggest that ALAN is a potential key factor affecting ecological processes in aquatic ecosystems such as trophic networks

Détection précoce du stress hydrique des forêts alluviales : de l’individu au peuplement, del’écophysiologie à la télédétection (DéPréSHyF)

National audienceEtat de santé des forêts alluviales, des individus au peuplement de l'écophysiologie à la télédétectio