Dynamique du Cd disponible du sol sous l'influence de l'hyperaccumulateur Thlaspi caerulescens

The Zn- and Cd- hyperaccumulator Thlaspi cærulescens is one of the most promising candidates for in situ phytoextraction. This work was undertaken to better understand the interactions between the bioavailable Cd in soil and the hyperaccumulation of Cd by T. cærulescens. Contrasted populations of T. cærulescens were studied in their natural environment and the relationships between the soil parameters, particularly the metal bioavailability, and hyperaccumulation were analysed. Four populations were selected according to their ability to hyperaccumulate Cd. Hundred plants of each population were cultivated in pots to assess genetic differences. The four populations were also grown under natural climatic conditions. The effect of T. cærulescens on the bioavailable compartments of soil metals was studied during successive crops in a lysimetric device equiped to follow the evolution of the soil-water-plant compartments of metals. Our results demonstrated that Cd accumulation by T. cærulescens is mainly explained by the soil Cd bioavailability. The Cd concentration in shoots could be predicted using easily and quickly measurable soil parameters (CaCl2 exctractable Cd, pH and CEC). Genetic differences between populations were also recorded. The Cd and Zn hyperaccumulating populations seemed to differ from the Ni hyperaccumulating populations by a particularly efficient transporter of Cd in the root cell membrane. Also, some Cd hyperaccumulating populations appeared to present a more efficient Cd absorption and translocation than others. The Cd absorption was independant of Zn absorption which suggested different mecanisms. It was also shown that a small fraction of the Cd extracted by T. cærulescens originated from the non available soil Cd compartment. During the phytoextraction, the plant firstly deplete the soluble compartment, which is then replenished by the bioavailable compartment. This one would be replenished by the less available compartment according to the buffer capacity of the soil. Finaly, we demonstrated that it is possible to predict Cd phytoextraction based on a simplified model using soil Cd bioavailaility, soil pH, CEC and T. cærulescens biomass production.La plante hyperaccumulatrice de Zn et de Cd, Thlaspi cærulescens, est l’un des candidats les plus prometteurs en vue d’une application à grande échelle de la phytoextraction. Ce travail a été entrepris afin de mieux comprendre les interactions entre la fourniture des métaux par la phase solide du sol, ou biodisponibilité, et l’hyperaccumulation du Cd par T. cærulescens dans le cadre de scénarios de phytoextraction. Des populations contrastées de T. cærulescens ont été étudiées dans leur milieu naturel (friches industrielles de mines de Zn/Pb et de fonderie de Zn ; site de serpentine à concentration élevée du Ni géochimique). Les relations existant entre les paramètres du sol, et en particulier la biodisponibilité des métaux, et l’hyperaccumulation chez ces plantes ont été analysées. Quatre populations ont été sélectionnées pour leur aptitude différente à accumuler les métaux. Cent individus de chaque population ont été cultivés en vases de végétation afin de mettre en évidence des différences génétiques entre les populations. Des individus des mêmes populations ont également été cultivés en conditions climatiques réelles. L’impact de T. cærulescens sur le compartiment biodisponible des métaux a été étudié à l’aide de cultures successives d’une même population dans des systèmes lysimétriques équipés pour suivre l’évolution des compartiments eau-sol-plantes des métaux. Nos résultats montrent que la concentration du Cd biodisponible est le principal facteur gouvernant l’absorption du métal. Ainsi, il est possible de prédire la concentration du Cd dans les feuilles de T. cærulescens à partir de paramètres du sol facilement et rapidement mesurables (Cd extractible au CaCl2, pH et CEC). Nous avons également mis en évidence des différences génétiques. Les populations hyperaccumulatrices de Cd et de Zn se distingueraient alors de celles hyperaccumulatrices de Ni par la présence d’un transporteur efficace du Cd dans la membrane plasmique racinaire des plantes. Parmi les populations hyperaccumulatrices de Cd, certaines présenteraient une absorption et une translocation du Cd plus efficace et indépendante de l’absorption du Zn, suggérant des mécanismes distincts. Il a également été montré qu’une faible fraction du Cd prélevé par T. cærulescens proviendrait du compartiment du Cd du sol non labile. Au cours de la phytoextraction, les plantes agissent en premier lieu sur le compartiment soluble des métaux du sol, celui-ci étant réapprovisionné par le compartiment biodisponible. En fonction de la capacité tampon des terres, le compartiment biodisponible du Cd pourra être plus ou moins réapprovisionné par ceux moins échangeables. Enfin, nous avons démontré qu’il était possible de prédire le rendement d’extraction du Cd à partir d’un modèle simplifié prenant en compte la biodisponibilité du Cd, la CEC, le pH et la production de biomasse par T. cærulescens

Dynamique du Cd disponible du sol sous l'influence de l'hyperaccumulateur Thlapsi caerulescens

Non disponible / Not availableLa plante hyperaccumulatrice de Zn et de Cd, Thlaspi caerulescens, est l'un des candidats les plus prometteurs en vue d'une application à grande échelle de la phytoextraction. Ce travail a été entrepris afin de mieux comprendre les interactions entre la fourniture des métaux par la phase solide du sol, ou biodisponibilité, et l'hyperaccumulation du Cd par T. caerulescens dans le cadre de scénarios de phytoextraction. Des populations contrastées de T. caerulescens ont été étudiées dans leur milieu naturel (friches industrielles de mines de Zn/Pb et de fonderie de Zn ; site de serpentine à concentration élevée du Ni géochimique). Les relations existant entre les paramètres du sol, et en particulier la biodisponibilité des métaux, et l'hyperaccumulation chez ces plantes ont été analysées. Quatre populations ont été sélectionnées pour leur aptitude différente à accumuler les métaux. Cent individus de chaque population ont été cultivés en vases de végétation afin de mettre en évidence des différences génétiques entre les populations. Des individus des mêmes populations ont également été cultivés en conditions climatiques réelles. L'impact de T. caerulescens sur le compartiment biodisponible des métaux a été étudié à l'aide de cultures successives d'une même population dans des systèmes Iysimétriques équipés pour suivre l'évolution des compartiments eau- sol-plantes des métaux. Nos résultats montrent que la concentration du Cd biodisponible est le principal facteur gouvernant l'absorption du métal. Ainsi, il est possible de prédire la concentration du Cd dans les feuilles de T. caerulescens à partir de paramètres du sol facilement et rapidement mesurables (Cd extractible au CaCI2, pH et CEC). Nous avons également mis en évidence des différences génétiques. Les populations hyperaccumulatrices de Cd et de Zn se distingueraient alors de celles hyperaccumulatrices de Ni par la présence d'un transporteur efficace du Cd dans la membrane plasmique racinaire des plantes. Parmi les populations hyperaccumulatrices de Cd, certaines présenteraient une absorption et une translocation du Cd plus efficace et indépendante de l'absorption du Zn, suggérant des mécanismes distincts. Il a également été montré qu'une faible fraction du Cd prélevé par T. caerulescens proviendrait du compartiment du Cd du sol non labile. Au cours de la phytoextraction, les plantes agissent en premier lieu sur le compartiment soluble des métaux du sol, celui-ci étant réapprovisionné par le compartiment biodisponible. En fonction de la capacité tampon des terres, le compartiment biodisponible du Cd pourra être plus ou moins réapprovisionné par ceux moins échangeables. Enfin, nous avons démontré qu'il était possible de prédire le rendement d'extraction du Cd à partir d'un modèle simplifié prenant en compte la biodisponibilité du Cd, la CEC, le pH et la production de biomasse par T. caerulescens

Effet des champignons endophytes sur le potentiel de phytoextraction de Noccaea caerulescens (Projet Endoextract)

National audienceLes champignons endophytiques racinaires de type « dark septate endophytes » (DSE) pourraientaméliorer le potentiel de phytoextraction de métaux de plantes hyperaccumulatrices. Dans notre étude,nous avons isolé et identifié des souches DSE de différentes populations naturelles de Nocceaecaerulescens et montré que la forte accumulation de métaux n’était pas le facteur principal concourantà l’établissement de la diversité fongique endophytique. Certaines souches ont montré un atout positifen terme de croissance et/ou de nutrition minérale et/ou de phytoextraction de la plante hôte. Cespremières expériences ouvrent la voie à des études plus approfondies qui permettront d’améliorer leprocédé de phytoextraction

Roots alterations in presence of phenanthrene may limit co-remediation implementation with Noccaea caerulescens

Co-phytoremediation of both trace elements and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) is an emerging technique to treat multi-contaminated soils. In this study, root morphological and structural features of the heavy metal hyperaccumulator Noccaea caerulescens, exposed to a model PAH phenanthrene (PHE) in combination with cadmium (Cd), were observed. In vitro cultivated seedlings were exposed to 2 mM of PHE and/or 5 mu M of Cd for 1 week. Co-phytoremediation effectiveness appeared restricted because of a serious inhibition (about 40%) of root and shoot biomass production in presence of PHE, while Cd had no significant adverse effect on these parameters. The most striking effects of PHE on roots were a decreased average root diameter, the inhibition of cell and root hair elongation and the promotion of lateral root formation. Moreover, endodermal cells with suberin lamellae appeared closer to the root apex when exposed to PHE compared to control and Cd treatments, possibly due to modified lateral root formation. The stage with well-developed suberin lamellae was not influenced by PHE whereas peri-endodermal layer development was impaired in PHE-treated plants. Many of these symptoms were similar to a water-deficit response. These morphological and structural root modifications in response to PHE exposition might in turn limit Cd phytoextraction by N. caerulescens in co-contaminated soils

Dynamique du Cd disponible du sol sous l'influence de l'hyperaccumulateur Thlapsi caerulescens

NANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Distribution, écologie et évolution de l'hyperaccumulation des éléments en traces par Noccaea caerulescens

Noccaea caerulescens est la principale Brassicacée hyperaccumulatrice de Cd, Ni et Zn, candidate pour la phytoremédiation des sols contaminés. La distribution de l'espèce se caractérise par une importante hétérogénéité des facteurs environnementaux, et plus particulièrement en ce qui concerne la nature des sols. En outre, des variations importantes de la capacité d'hyperaccumulation entre les populations de l'espèce ont déjà été observées. Dès lors, à partir d'un vaste échantillonnage en France et ses régions limitrophes, l'objectif de cette thèse était de : i) mieux appréhender l'écologie de N. caerulescens notamment les composantes édaphiques de son habitat, iii) comparer les capacités d'accumulation en Cd, Ni et Zn et, iii) déterminer les relations génétiques entre les populations. Nos résultats montrent que N. caerulescens est largement répandue dans les massifs montagneux et que l'espèce n'est pas inféodée aux sites métallifères vu le nombre de stations en milieu non minier. Par ailleurs, les stations se caractérisent par une très large amplitude des paramètres édaphiques conduisant à proposer une nouvelle classification des stations. Concernant l'accumulation des éléments en traces in situ, nous avons démontré que la biodisponibilité ne permettait pas d'expliquer seule les concentrations observées dans la plante. Par ailleurs, des cultures en hydroponie ont mis en évidences un compromis entre l'allocation du carbone et l'accumulation des éléments en traces en particulier chez les populations sur serpentines. Enfin, l'analyse de la structure génétique neutre a fait ressortir trois zones géographiques fortement différenciées, sans cohérence avec le type de milieuNoccaea caerulescens (Brassicaceae) is the main hyperaccumulator of Cd, Ni and Zn, candidate for phytoremediation of contaminated soils. The distribution of the species is characterized by a high degree of heterogeneity of environmental factors, especially concerning the soil composition. In addition, significant variations in the hyperaccumulation ability between populations of the species have been observed. Therefore, from a broad sampling in France and its neighboring regions, the aim of this thesis was: i) a better understanding of the ecology of N. caerulescens including soil habitat components, iii) a comparison of the ability of populations to accumulate Cd, Ni and Zn and iii) the assessment of the genetic structure among populations. Our results show that N. caerulescens is widespread in the French mountains and not restricted to the metalliferous sites given the large number of non-metalliferous stations explored. In addition, the prospected stations are characterized by a wide range in the soil composition leading to propose a new classification of N. caerulescens stations. On the accumulation of trace elements in situ, we have shown that the bioavailability of trace elements was not the only factor explaining the observed concentrations in the plant. Moreover, hydroponic cultures highlighted a compromise between carbon allocation and accumulation of trace elements especially in serpentine populations. Finally, the analysis of the neutral genetic structure highlighted three geographic regions highly differentiated, but not consistent with the edaphic typeNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Understanding and optimizinf plant-plant-microorganims interactions to improve the phytomanagement of marginal lands

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Effect of endophytic fungi on the phytoextraction potential of the hyperaccumulator Noccaea caerulescens

International audienceNoccaea caerulescens, a Cd, Ni and Zn hyperaccumulator, appears to be one of the best candidates for the phytoremediation of soils contaminated by metallic trace elements. However, its use is limited by its slow growth rate and limited biomass production. Inoculation of plants with endophytic fungi could lead to a better development under both biotic and abiotic stresses, either by direct effects (secretion of phytohormones, siderophores or enzymes) or by indirect effects (resistance to pathogens), improving thus the phytoextraction potential. However, very few tests have been conducted to date with hyperaccumulating plants. In this work, five endophytic growth-promoting DSE-like fungi strains were evaluated for their potential in improving the Cd and Zn phytoextraction when grown on contaminated soils (PC18and PR). Both soils were sampled from agricultural sites contaminated by anthropogenic activities. They differed by their trace element content with respectively high and low total and available Cd and Zn concentrations in PR and PC18. DSE strains came from a collection obtained from roots of poplar grown on a metal contaminated site. After inoculation, N. caerulescenswas cultivated for three months in controlled conditions. The results highlight a significant interaction between soil and strains. Only one strain had a significant effect on the production of shoot dry biomass. We also observed variations in the effects of strains on both concentrations in major nutrients and trace elements in plant parts. Thus, the phytoextraction potential of metals could be improved following inoculation with DSE strains with, however, a strain and soil-dependent respons

How could phytoextraction reduce Cd content in soils under annual crops?: Simulations in the French context

Human populations are threatened by chronic exposure to the Cd accumulated in foods after being taken up from soils by crops.To evaluate how phytoextraction with the hyperaccumulator Noccaea caerulescens as an annual crop or as a cover crop could modify the Cd mass balance in French agricultural soils, we simulated this process according to two scenarios. If current practices are maintained (first scenario), the average soil Cd content will increase by 2.9% after a century. If Cd content in P fertilizers is limited according to the European regulation project (second scenario), the decrease will be of about 4%.A phytoextraction crop with a 10 t dry matter (DM) ha(-1) yield every 25 years would bring down the soil Cd content from 0.31 mg kg(-1) to around 0.11 mg kg(-1). However, this scenario is relatively unrealistic, because high dry matter yield is unlikely and the cost of the process is elevated. Phytoextraction as a cover crop every four to five years would decrease the soil Cd content more quickly. This requires a 2.5 t DM ha(-1) yield, which appears realistic. This cover crop phytoextraction would be cheaper. It would need annual sowing of 4 million ha and the production of around 10 million t of dry biomass.To meet such a requirement, any breeding of the hyperaccumulator should favour traits allowing a 3-4 month cultivation period in the autumn. Processes also have to be developed to recover energy, metal or beneficial compounds from the biomass produced by phytoextraction

Characterization of mineral association of rare earth elements (REEs) in industry and mine wastes from Lorraine for evaluating circular economy potential

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