Contribution to the development of an eco-innovative phytomanagement channel of TE-polluted soils : aromatic plants’ cultivation and essential oil production

Le phytomanagement compte parmi les méthodes innovantes de gestion des sites et sols pollués en raison de son adéquation avec le développement durable. Pour répondre à la double exigence de performances environnementales et économiques, les phytotechnologies sont désormais combinées à la valorisation de la biomasse produite sur sols pollués. Parmi les filières éco-innovantes et non-alimentaires de valorisation de cette biomasse, la culture de plantes à parfums, aromatiques et médicinales (PPAM) pour la production d’huiles essentielles (HE), substances biosourcées à haute valeur ajoutée, a été proposée dans le cadre du projet PhytEO, financé par l’ADEME. Ainsi, ma contribution à ce projet a permis d‘évaluer la pertinence d’un mode de gestion reposant sur la culture de la sauge sclarée et de la coriandre, en présence ou non d’un amendement mycorhizien, en s’appuyant sur des démonstrateurs in situ à l’échelle de l’hectare, parcelles historiquement polluées ou non par les éléments traces (ET). La coriandre ainsi que la sauge sclarée ont toutes deux montré une bonne capacité à s’installer, à se développer et à produire une quantité importante de biomasse sur des sols présentant une forte pollution historique par les ET. Bien que l’ajout d’un amendement biologique à base de champignons mycorhiziens à arbuscules ait permis d’augmenter de façon significative les taux de mycorhization des racines de coriandre et de sauge sclarée, aucun gain n’a été observé ni au niveau de la croissance de ces deux PPAM, ni au niveau de la quantité et de la qualité des HE. Un effet positif en termes d’immobilisation des ET dans le sol, en particulier du Pb, et une réduction des transferts des ET (Cd et Pb) dans les parties aériennes a toutefois été montré chez la sauge sclarée. D’autre part, les HE distillées à partir de la biomasse de sauge sclarée (inflorescences) ou de coriandre (parties aériennes ou graines) cultivées sur sols pollués présentent une qualité très satisfaisante, caractérisée par leur non contamination en ET ou en résidus de pesticides (traces). Leurs compositions chimiques, non altérées par la pollution en ET et l’inoculation mycorhizienne, affichent divers principes actifs dont le linalol, l’acétate de linalyle, le germacrène, l’α-pinène, le γ-terpinène, le 2-décénal, le décanal et le 2-dodécénal. Ainsi, plusieurs propriétés biologiques potentiellement valorisables dans des domaines à vocation non-alimentaire, tels que la protection des cultures (effets fongistatiques, anti-germinatifs et herbicides) ou la santé humaine (effets anti-inflammatoires et antioxydants) ont été mises en évidence. En revanche, en dépit de son fort pouvoir complexant des HE, la β-cyclodextrine n’a montré aucun effet positif sur les propriétés biologiques testées. Par ailleurs, la végétalisation du sol pollué par la sauge sclarée permet une modulation de la structure des communautés bactériennes et fongiques, telluriques et racinaires. Enfin, l’ensemble des résultats de cette étude et de l’analyse technico-économique de la filière PPAM-HE soulignent le haut potentiel de la sauge sclarée dans une démarche de phytomanagement de sols pollués par les ET.To cope with the soil trace element (TE) pollution, phytomanagement was brought forward as an eco-friendly and feasible approach. To meet the dual requirements of environmental and economic performances, phytotechnologies are now combined with the valorisarion of biomass produced on polluted soils. Among the eco-innovative channels intended for the non-food valorisation of the produced biomass, the cultivation of aromatic and medicinal plants producing essential oils (EO), high-added value biosourced products, has been suggested within the framework of PhytEO project, funded by ADEME. Thus, this thesis contributed to evaluate the relevance of a management approach based on clary sage and coriander cultivation, combined or not with a mycorrhizal inoculum, on in situ experimental plots polluted or not with TE. Both clary sage and coriander have shown a good ability to settle in, to grow and to produce high amounts of biomass, despite the presence of high TE concentrations in the soil. The addition of an amendment based on arbuscular mycorrhizal fungi enhanced the mycorrhizal colonisation rates of both coriander and clary sage roots. However, no significant improvement was observed in terms of plants’ growth, EO amounts and quality. Moreover, mycorrhizal inoculation allowed TE immobilisation in soils, in particular Pb, and reduced TE (Cd and Pb) transfers in aerial parts of clary sage. Besides, the EO distilled from clary sage inflorescences and coriander (aerial parts orseeds) grown on TE polluted soils, displayed a highly satisfactory quality, regarding the absence of contamination by TE or pesticide residues (trace amounts). Their chemical compositions were not altered by both TE pollution and mycorrhizal inoculation and were characterized by several active principles, such as linalool, linalyl acetate, germacrene, α-pinene, γ-terpinene, 2-decenal, decanal and 2-dodecenal. Furthermore, several biological properties with potential applications in non-food fields such as crop protection (antifungal, antigerminative and herbicidal) or human healthcare (antioxidant and anti-inflammatory) have been brought forward. However, despite its ability to form inclusion complexes with EO components, β-cyclodextrin has shown no significant improvement of the tested EO biological activities. On another note, the soil revegetation with clary sage displayed a clear shaping of the bacterial and fungal communities, in both the rhizospheric soil and the roots of the aromatic plant species. Altogether, our results combined with the techno-economic feasibility assessment of the channel “aromatic and medicinal plants/EO” have emphasised clary sage as a good candidate for the phytomanagement of TE-polluted soils

Contribution au développement d’une filière éco-innovante de phytomanagement de sols pollués par les éléments traces : culture de plantes aromatiques et production d’huiles essentielles

To cope with the soil trace element (TE) pollution, phytomanagement was brought forward as an eco-friendly and feasible approach. To meet the dual requirements of environmental and economic performances, phytotechnologies are now combined with the valorisarion of biomass produced on polluted soils. Among the eco-innovative channels intended for the non-food valorisation of the produced biomass, the cultivation of aromatic and medicinal plants producing essential oils (EO), high-added value biosourced products, has been suggested within the framework of PhytEO project, funded by ADEME. Thus, this thesis contributed to evaluate the relevance of a management approach based on clary sage and coriander cultivation, combined or not with a mycorrhizal inoculum, on in situ experimental plots polluted or not with TE. Both clary sage and coriander have shown a good ability to settle in, to grow and to produce high amounts of biomass, despite the presence of high TE concentrations in the soil. The addition of an amendment based on arbuscular mycorrhizal fungi enhanced the mycorrhizal colonisation rates of both coriander and clary sage roots. However, no significant improvement was observed in terms of plants’ growth, EO amounts and quality. Moreover, mycorrhizal inoculation allowed TE immobilisation in soils, in particular Pb, and reduced TE (Cd and Pb) transfers in aerial parts of clary sage. Besides, the EO distilled from clary sage inflorescences and coriander (aerial parts orseeds) grown on TE polluted soils, displayed a highly satisfactory quality, regarding the absence of contamination by TE or pesticide residues (trace amounts). Their chemical compositions were not altered by both TE pollution and mycorrhizal inoculation and were characterized by several active principles, such as linalool, linalyl acetate, germacrene, α-pinene, γ-terpinene, 2-decenal, decanal and 2-dodecenal. Furthermore, several biological properties with potential applications in non-food fields such as crop protection (antifungal, antigerminative and herbicidal) or human healthcare (antioxidant and anti-inflammatory) have been brought forward. However, despite its ability to form inclusion complexes with EO components, β-cyclodextrin has shown no significant improvement of the tested EO biological activities. On another note, the soil revegetation with clary sage displayed a clear shaping of the bacterial and fungal communities, in both the rhizospheric soil and the roots of the aromatic plant species. Altogether, our results combined with the techno-economic feasibility assessment of the channel “aromatic and medicinal plants/EO” have emphasised clary sage as a good candidate for the phytomanagement of TE-polluted soils.Le phytomanagement compte parmi les méthodes innovantes de gestion des sites et sols pollués en raison de son adéquation avec le développement durable. Pour répondre à la double exigence de performances environnementales et économiques, les phytotechnologies sont désormais combinées à la valorisation de la biomasse produite sur sols pollués. Parmi les filières éco-innovantes et non-alimentaires de valorisation de cette biomasse, la culture de plantes à parfums, aromatiques et médicinales (PPAM) pour la production d’huiles essentielles (HE), substances biosourcées à haute valeur ajoutée, a été proposée dans le cadre du projet PhytEO, financé par l’ADEME. Ainsi, ma contribution à ce projet a permis d‘évaluer la pertinence d’un mode de gestion reposant sur la culture de la sauge sclarée et de la coriandre, en présence ou non d’un amendement mycorhizien, en s’appuyant sur des démonstrateurs in situ à l’échelle de l’hectare, parcelles historiquement polluées ou non par les éléments traces (ET). La coriandre ainsi que la sauge sclarée ont toutes deux montré une bonne capacité à s’installer, à se développer et à produire une quantité importante de biomasse sur des sols présentant une forte pollution historique par les ET. Bien que l’ajout d’un amendement biologique à base de champignons mycorhiziens à arbuscules ait permis d’augmenter de façon significative les taux de mycorhization des racines de coriandre et de sauge sclarée, aucun gain n’a été observé ni au niveau de la croissance de ces deux PPAM, ni au niveau de la quantité et de la qualité des HE. Un effet positif en termes d’immobilisation des ET dans le sol, en particulier du Pb, et une réduction des transferts des ET (Cd et Pb) dans les parties aériennes a toutefois été montré chez la sauge sclarée. D’autre part, les HE distillées à partir de la biomasse de sauge sclarée (inflorescences) ou de coriandre (parties aériennes ou graines) cultivées sur sols pollués présentent une qualité très satisfaisante, caractérisée par leur non contamination en ET ou en résidus de pesticides (traces). Leurs compositions chimiques, non altérées par la pollution en ET et l’inoculation mycorhizienne, affichent divers principes actifs dont le linalol, l’acétate de linalyle, le germacrène, l’α-pinène, le γ-terpinène, le 2-décénal, le décanal et le 2-dodécénal. Ainsi, plusieurs propriétés biologiques potentiellement valorisables dans des domaines à vocation non-alimentaire, tels que la protection des cultures (effets fongistatiques, anti-germinatifs et herbicides) ou la santé humaine (effets anti-inflammatoires et antioxydants) ont été mises en évidence. En revanche, en dépit de son fort pouvoir complexant des HE, la β-cyclodextrine n’a montré aucun effet positif sur les propriétés biologiques testées. Par ailleurs, la végétalisation du sol pollué par la sauge sclarée permet une modulation de la structure des communautés bactériennes et fongiques, telluriques et racinaires. Enfin, l’ensemble des résultats de cette étude et de l’analyse technico-économique de la filière PPAM-HE soulignent le haut potentiel de la sauge sclarée dans une démarche de phytomanagement de sols pollués par les ET

Chemical Composition, Antioxidant and Anti-Inflammatory Activities of Clary Sage and Coriander Essential Oils Produced on Polluted and Amended Soils-Phytomanagement Approach

The potential of essential oils (EO), distilled from two aromatic plants—clary sage (Salvia sclarea L.) and coriander (Coriandrum sativum L.)—in view of applications as natural therapeutic agents was evaluated in vitro. These two were cultivated on a trace element (TE)-polluted soil, as part of a phytomanagement approach, with the addition of a mycorrhizal inoculant, evaluated for its contribution regarding plant establishment, growth, and biomass production. The evaluation of EO as an antioxidant and anti-inflammatory, with considerations regarding the potential influence of the TE-pollution and of the mycorrhizal inoculation on the EO chemical compositions, were the key focuses. Besides, to overcome EO bioavailability and target accession issues, the encapsulation of EO in β-cyclodextrin (β-CD) was also assessed. Firstly, clary sage EO was characterized by high proportions of linalyl acetate (51–63%) and linalool (10–17%), coriander seeds EO by a high proportion of linalool (75–83%) and lesser relative amounts of γ-terpinene (6–9%) and α-pinene (3–5%) and coriander aerial parts EO by 2-decenal (38–51%) and linalool (22–39%). EO chemical compositions were unaffected by both soil pollution and mycorrhizal inoculation. Of the three tested EO, the one from aerial parts of coriander displayed the most significant biological effects, especially regarding anti-inflammatory potential. Furthermore, all tested EO exerted promising antioxidant effects (IC50 values ranging from 9 to 38 g L−1). However, EO encapsulation in β-CD did not show a significant improvement of EO biological properties in these experimental conditions. These findings suggest that marginal lands polluted by TE could be used for the production of EO displaying faithful chemical compositions and valuable biological activities, with a non-food perspective

Essential Oils as Potential Alternative Biocontrol Products against Plant Pathogens and Weeds: A Review

International audienceNaturally produced by aromatic plants, essential oils (EO) contain a wide range of volatile molecules, including mostly secondary metabolites, which possess several biological activities. Essential oils properties such as antioxidant, antimicrobial and anti-inflammatory activities are known for a long time and hence widely used in traditional medicines, cosmetics and food industries. However, despite their effects against many phytopathogenic fungi, oomycetes and bacteria as well as weeds, their use in agriculture remains surprisingly scarce. The purpose of the present review is to gather and discuss up-to-date biological activities of EO against weeds, plant pathogenic fungi, oomycetes and bacteria, reported in the scientific literature. Innovative methods, potentially valuable to improve the efficiency and reliability of EO, have been investigated. In particular, their use towards a more sustainable agriculture has been discussed, aiming at encouraging the use of alternative products to substitute synthetic pesticides to control weeds and plant diseases, without significantly affecting crop yields. An overview of the market and the recent advances on the regulation of these products as well as future challenges to promote their development and wider use in disease management programs is described. Because of several recent reviews on EO insecticidal properties, this topic is not covered in the present review

Essential oil production, an innovative phytomanagement approach to value plant biomass produced on Metal Trace -aged contaminated soils: a field experiment.

International audienc

Le projet PHYTEO : pertinence de la filière culture de plantes aromatiques productrices d’HE pour le phytomanagement de sols pollués par les éléments traces métalliques

National audienceObjectifs : Contribuer au développement d’une nouvelle filière non alimentaire de valorisation de la biomasse végétale produite sur sols agricoles pollués par des éléments traces métalliques (ETM), par le biais de la culture de Plantes à Parfum, Aromatiques et Médicinales (PPAM) et la production d’huiles essentielles, combinée à la phytostabilisation aidée. Il s’agira d’étudier la faisabilité technique et l’éventuel intérêt socio-­économique de ce mode de gestion comme voie de reconversion des sols agricoles pollués. Ce projet s’appuie sur la mise en place de démonstrateurs in situ à l’échelle de l’hectare sur le site de Metaleurop. Caractère innovant du projet : Le projet PHYTEO financé par l’ADEME, dans lequel s’inscrivent ces travaux, propose d’évaluer pour la première fois la pertinence du phytomanagement des sols pollués en couplant la phytostabilisation aidée par un amendement biologique à base de champignons mycorhiziens, grâce à la culture de PPAM, avec une nouvelle filière de valorisation non alimentaire de la phytomasse produite sur des sols pollués par des ETM. La production de molécules à haute valeur ajoutée telles que les huiles essentielles, présentant de surcroît des activités biologiques, pourrait permettre de répondre à des critères de performances économiques et environnementales. Ce projet aborde des aspects à la fois techniques et socio-­économiques et repose sur un partenariat universitaire transdisciplinaire, institutionnel et privé. La coriandre ainsi que la sauge sclarée ont toutes deux montré une bonne capacité à s’installer, à se développer et à produire une quantité importante de biomasse sur des sols présentant une forte pollution historique par les ETM. Bien que l’ajout d’un amendement biologique à base de champignons mycorhiziens à arbuscules ait permis d’augmenter de façon significative les taux de mycorhization des racines de coriandre et de sauge sclarée, aucun gain n’a été observé ni au niveau de la croissance de ces deux PPAM, ni au niveau de la quantité et de la qualité des HE. Un effet positif en termes d’immobilisation des ETM dans le sol, en particulier du Pb, et une réduction des transferts des ETM (Cd et Pb) dans les parties aériennes a toutefois été montré chez la sauge sclarée. En présence de l’inoculum mycorhizien, les transferts d’ETM dans les inflorescences ont été réduits, tout comme la mobilité du Cd dans le sol associé. D’autre part, les HE distillées à partir de la biomasse de sauge sclarée (inflorescences) ou de coriandre (parties aériennes ou graines) cultivée sur sols pollués présentent une qualité très satisfaisante, caractérisée par leur non contamination en ETM ou en résidus de pesticides (traces). Leurs compositions chimiques, non altérées par la pollution en ETM et l’inoculation mycorhizienne, affichent divers principes actifs (linalol, acétate de linalyle, germacrène, α‐pinène, γ-­terpinène, 2-­décénal, décanal et 2-­dodécénal) qui sont à l’origine de plusieurs propriétés biologiques potentiellement valorisables dans des domaines à vocation non-­alimentaire, tels que la protection des cultures (effets fongistatiques, anti-­germinatifs et herbicides) ou la santé humaine (effets anti­‐inflammatoires et antioxydants). L’ensemble des résultats de cette étude et de l’analyse technico-­économique de la filière PPAM-‐HE soulignent le haut potentiel de la sauge sclarée dans une démarche de phytomanagement de sols pollués par les ETM et son intérêt dans la refonctionnalisation des sols pollués liée à une modulation de la structure des communautés bactériennes et fongiques, telluriques et racinaires

Développement d’une filière éco-innovante de valorisation non alimentaire de phytomasse produite sur des sols contaminés par des éléments traces métalliques : production d’huiles essentielles

International audienc

La production d’huiles essentielles à action « bio-pesticide » comme filière de valorisation de la phytomasse produite sur des sols historiquement pollués par les éléments traces métalliques

Parmi les techniques envisageables pour la reconversion des terres agricoles contaminées, le recours au phytomanagement constitue une solution prometteuse sur le plan environnemental et socio-économique. Ainsi, dans le cadre du projet phytEO (https://phyteo.univ-littoral.fr/), financé par l’ADEME, la faisabilité technico-économique d’une stratégie de phytomanagement couplant la phytostabilisation aidée par des amendements biologiques à base de champignons mycorhiziens, avec une filière de production d’huiles essentielles (HE) issues de la biomasse végétale obtenue à partir de plantes à parfum, aromatiques et médicinales (PPAM) cultivées sur des sols historiquement contaminés par les éléments traces métalliques (ETM) est à l’étude. Des expérimentations in situ ont été menées sur deux parcelles agricoles de 2 ha, dont l’une contaminée, située sur le site atelier de Metaleurop (SAFIR), présentant des teneurs moyennes en Cd, Zn et Pb, respectivement de 7,2 ; 443 et 394 ppm, 10 à 15 fois supérieures aux bruits de fond géochimiques. Les premières étapes de ce projet ont consisté à (i) mettre en place le dispositif expérimental in situ, (ii) tester la capacité de deux PPAM, la sauge sclarée (Salvia sclarea) et la coriandre (Coriandrum sativum), à se développer sur ces parcelles en présence et en absence d’un inoculum mycorhizien, (iii) distiller les HE, et finalement (iv) déterminer la composition et les propriétés « bio-pesticides » des HE produites. Les deux PPAM testées se développent aussi bien sur la parcelle contaminée que sur la parcelle témoin non polluée. Les rendements en HE obtenus sont d’environ 10Kg à l’hectare pour la coriandre et de 12 à 30Kg à l’hectare pour la sauge, rendements comparables à ce qui est décrit dans la littérature. La coriandre a montré un comportement accumulateur vis-à-vis du Cd. Quant à la sauge, une réduction des teneurs en Pb et en Zn a été observée sur les parcelles inoculées. De plus, les HE ainsi distillées ne présentent pas de contamination par les ETM. Leur analyse en GC-MS a permis de mettre en évidence les composés majeurs suivants : acétate de linalyle, germacrène et linalol pour la sauge - linalol et dérivés de l’acide décénoïque pour la coriandre. Des effets antifongiques, évalués par contact direct et par volatilité contre deux champignons phytopathogènes - Fusarium culmorum et Zymoseptoria tritici, responsables de la fusariose et de la septoriose respectivement - et herbicides, contre deux espèces bioindicatrices (la laitue et le ray-grass), ont été mis en évidence, aussi bien pour les HE issues de la coriandre que pour la sauge. L’HE de coriandre a montré une efficacité supérieure quel que soit le test considéré. Afin de compléter l’étude des propriétés « bio-pesticides » des HE, nous envisageons d’effectuer des tests antifongiques in planta, ainsi que des tests insecticides