La dépollution des métaux lourds

                                                                     


1- Par phytoremédiation


Au 16ème siècle, un botaniste de Florence, Andréa Cesalpino, découvre une plante poussant sur des roches naturellement riches en métaux (du nickel notamment). De 1814 à 1948, de nombreuses études sont faites par des scientifiques sur cette plante nommée Alyssum bertolonii, et on découvre alors qu’elle accumule dans son organisme une forte teneur en métaux du sol où elle vit, une teneur plus importante que celle dans le sol. Par la suite, d’autres plantes ayant les mêmes propriétés sont découvertes. Et c’est en 1970 qu’apparaît l’idée d’utiliser ces plantes aux propriétés particulières.  
Aujourd’hui, Il existe différentes formes de phytoremédiation, qui utilisent toutes l'implantation d'un couvert végétal pour exporter (phytoextraction), stabiliser (phytostabilisation) ou encore volatiliser (phytovolatisation) les polluants d'un sol.
Dans cette partie nous étudierons principalement la phytoextraction des métaux lourds et ainsi présenter cette capacité naturel qu'on les plantes de prélever et d'accumuler dans leurs parties aériennes ces polluants très toxiques. Ces plantes peuvent ensuite être récoltées et incinérées, et les cendres peuvent être recyclées en métallurgie ou stockées. Cette méthode de recyclage est appelé « phytominage ». La phytoextraction s'effectue aussi sur milieu liquide : on parle alors de rhizofiltration dans le cas des stations d'épurations où l'on utilise la phytorémédiation.


 


A) La phytoaccumulation des métaux lourds


 

 

 

 

 

 

 

 






 

 

 

 

 




Ces deux schémas ci-dessus nous montrent les principes de la phytoextraction ou phytoaccumulation. En effet, la plupart des plantes ont la capacité d'absorber et de concentrer dans leurs parties récoltables (c'est-à-dire les feuilles et les tiges) les métaux lourds polluants contenus dans le sol et l'eau. Toutefois, on a observer que certaines espèces toléraient mieux et accumulaient de plus grandes quantité de métaux lourds toxiques. On les appelle les plantes "hyperaccumulatrices".  On distingue ensuite deux types de phytoextraction :

- La phytoextraction continue qui se fait naturellement et consiste souvent en une hyperaccumulation tout au long du développement de la plante comme le montre le schéma 1 ci dessous.Ces plantes sont appelées métallophytes si elles poussent exclusivement en présence de métal, ou pseudo-métallophytes si la présence de métaux n'est pas indispensable à leur développement. A maturité les plantes sont récoltées, incinérées, et les cendres sont alors stockées dans un lieu sécurisé. Une partie des métaux pourra ensuite être retraitée, puis réutilisée. On pourra renouveler la culture jusqu’à obtenir des taux acceptables de métaux lourds dans les sols.

1- Phytoextraction continue


- La phytoextraction induite qui se fait par ajout de chélateurs .La figure 2 ci-dessous montre que tant que les chélateurs n'ont pas été appliqués, la plante ne prélève pas les métaux du sol, contrairement au cas des plantes hyperaccumulatrices qui réalisent une phytoextraction continue.
C'est lorsque la plante atteint un certain niveau de croissance (biomasse maximale) que les chélateurs synthétiques appropriés sont appliqués au sol. Le prélèvement de métaux est dés lors intense mais réduit en durée.
La plante accumule les métaux polluants dans des parties récoltables. On procède à la récolte pour extraire les métaux en question.


2-Phytoextraction induite
                                                                                                                                                                                                             

B) la notion d'hyperaccumulation



Une plante est dite hyperaccumulatrice à partir d’une concentration dépendant du métal : plus de 1 000 mg/g de matière sèche dans les feuilles pour le nickel, plus de 10 000 mg/g pour le zinc..Pour évaluer cette hyperaccumulation, on utilise le coefficient de transfert défini par :


Concentration du métal contenu dans les tissus aériens de la plante
Concentration du métal contenu dans le sol


Plus ce coefficient est élevé plus l'accumulation des métaux est importante.

Trois types  de comportements des plantes ont pu donc être déterminés dans un milieu contenant des métaux lourds:
  • La première stratégie est un prélèvement faible des métaux. La plante contrôlerait leur non-absorption au niveau de la racine. Il existe une valeur maximale de tolérance au-delà de laquelle le végétal meurt.
  • La seconde est un prélèvement proportionnel à la quantité en métaux présents dans le sol. La plante est alors qualifiée d'indicatrice puisqu'elle reflète les quantités présentes dans celui-ci.
  • La dernière stratégie est l'hyperaccumulation des métaux dans les parties aériennes de la plante. Les mécanismes d'absorption sont actifs.
Le graphique ci-dessous nous les présente et montre qu'au-delà d'une certaine concentration les mécanismes de contrôle sont déréglés provoquant un flux de métaux qui entre dans le végétal et entraîne son dépérissement.

Figure 1 : Comportement théorique des végétaux

Dans le cadre de la phytoremédiation, il est indispensable d’estimer la biodisponibilité d’un élément en trace, afin de connaître la quantité de métal potentiellement extractible, et le rendement de cette méthode. Ainsi, il est nécessaire de bien connaître la réponse des plantes hyperaccumulatrices à la fertilité du milieu, de même que la capacité de prélèvement du métal par ces plantes en fonction des facteurs de culture, et, enfin, les relations entre la plante hyperaccumulatrice et la mobilité du métal dans le sol.

Ci-dessous,on a une autoradiographie(gauche) et une photographie(droite) d'une feuille d'une plante de moutarde brune(Brassica juncea) cultivé pendant  24h dans un milieu d'une concentration en cadmium de 0.1µg/ml
. Ces images nous présentent les zones de concentration et les mécanismes de mobilité du cadmium dans une feuille de moutarde brune.



Comme nous l'avons cité précédemment, les plantes hyperaccumulatrices peuvent prélever de manière active les métaux, même lorsqu'ils sont en faible proportion dans le sol. Ceci laisse donc supposer que l'hyperaccumulation a un rôle dans la physiologie de la plante.
Différentes hypothèses ont été émises sur les raisons de cette accumulation:
  • Le prélèvement passif dû à la non-spécificité des systèmes d'absorption. Ce phénomène a été observé chez Holcus lanatus(hulque laineuse). Cette plante est tolérante à l'arsenic et elle le prélève selon le même procédé que le phosphore ;
  • Une stratégie de résistance à la sécheresse qui consiste en la rétention d'ions pour conserver l'eau ;
  • Une défense contre les herbivores et les pathogènes ;
  • Une adaptation aux sols contaminés permettant à la plante de dominer les plantes moins tolérantes (compétition) ;
  • Un moyen de tolérance (phytotolérance ou hypertolérance)d'un élément donné, résultat de l'évolution adaptative des plantes à des environnements hostiles au cours de multiples générations. Le polluant est stocké afin d'éviter toute interférence avec le métabolisme.Ces plantes sont des écotypes.
Ces hypothèses méritent d'être confirmées, mais de nombreux scientifiques proposent la stratégie de défense comme étant la plus probable.


D) Les plantes hyperaccumulatrices


Environ 400 espèces de plantes sont reconnues comme étant hyperaccumulatrices de métaux lourds, la majeure partie d’entre elles (300 espèces) accumulant le Nickel. On a vu que ces végétaux présentent la particularité d'accumuler une très grande quantité de métaux lourds toxiques, à des concentrations cent fois plus élevées que chez les autres. On peut citer par exemple la moutarde brune (Alysum bertolonii), la pensée calaminaire (Viola calaminaria), le tabouret bleuâtre (Thlaspi caerulescens), le colza, le tournesol. D'ailleurs plusieurs chercheurs américains travaillent aussi beaucoup sur des arbres comme le peuplier, capable d'extraire le métal du sol et des eaux.
Les plantes vont donc être choisies en fonction de la nature du polluant contaminant le sol (type de métal), car il faut que la plante utilisée soit capable d’extraire le métal, en fonction du climat, et également en fonction de sa biomasse, de façon à ce qu’elle puisse accumuler une quantité importante de polluants. De plus, le sol est souvent contaminé par de nombreux métaux, ce qui nécessite une culture de différentes espèces de plantes.
Les familles les plus rencontrées dans l'accumulation du Zinc sont les Brassicacées, les Caryophyllacées, les Lamiacées et les Violacées. En ce qui concerne le Plomb et le Cadmium il s'agit surtout des Brassicacées (ex: moutarde brune). Les espèces hyperaccumulant le Cuivre et le Cobalt sont peu nombreuses (24). Elles sont originaires du Zaïre. Les familles concernées sont les Lamiacées, les Astéracées, les Cypéracées, les Scrofulariacées et les Amarantacées. Le Nickel est quant à lui hyperaccumulé par les trois quarts des espèces connues. Elles appartiennent à des familles telles que les Brassicacées, les Scrophulariacées, les Euphorbiacées, les Saxifragacées et les Sapotacées.


Le tableau ci-dessous donne le nombre de familles et de variétés concernées par L'hyperaccumulation:

Métal Limite inférieure (% en matière sèche de feuilles) Nombre d'espèces Nombre de familles
Cadmium > 0,01 1 1
Cobalt > 0,1 28 11
Cuivre > 0,1 37 15
Plomb > 0,1 14 6
Manganèse > 1,0 9 5
Nickel > 0,1 317 37
Zinc > 1,0 11 5
Thallium > 0,1 2 1



Voici quelque plantes utilisées dans la dépollution des métaux lourds:






















Alyssum bertolonii                                                                                                                Astragalus bisulcatus








Peupliers

la moutarde brune
(Brassica juncea)






      le tabouret bleuâtre (Thlaspi caerulescens)                                                      la pensée calaminaire (Viola calaminaria)


                                                      tournesol (Helianthus annuus)


                   Colza (Brassica napus var. napus)

Un terrain de phytoremédiation aux État-unis d'Amérique regroupant plusieurs espèces de plantes








C) Les mécanismes cellulaires de l'absorption et de l'accumulation des métaux lourds



L'absorption des métaux lourds se fait au niveau des racines. Le schéma ci-dessous nous montre les différentes parties composant une jeune racine et le système vasculaire de la plante dont le 
xylème qui est le principale acteur de la migration des métaux lourds vers les parties aériennes chez les végétaux supérieurs.
1-schéma d'une jeune racine

 

D'abord pour être absorbés, les métaux lourds doivent être sous forme soluble dans la rhizosphère. Ils sont donc soit libres mais le plus souvent, les métaux lourds sont liés à d'autres molécules qui sont appelées des agents chélatants.

Ces agents sont ajoutés aux sols artificiellement ou parfois libérés par les racines de certaines plantes à travers des composés organiques et minéraux appelés exsudats et  facilitent ainsi le passage des métaux lourds dans la plante. En effet, la chélation d'ions métalliques par des ligands spécifiques de forte affinité diminue la concentration en ions métalliques libres. Ainsi, leur phytotoxicité est réduite. Deux classes majeures de peptides chélateurs des métaux lourds sont connues : les metallothionéines et les phytochélatines. L'ajout de chélateurs dans le sol permet donc une meilleure absorption racinaire.Ce qui est une pratique courante dans les installations de phytorémédiation.

Un exemple d'agent chélateur du plomb notamment est L'EDTA (acide éthylène-diamine-tétra acétique) de formule chimique C10H16N2O8 représenté sur le schéma  ci-dessous:





Après application d’EDTA, l’accumulation de plomb dans la plante est directement corrélée avec une accumulation d’EDTA . Ainsi, il est probable que le plomb soit transporté à l’intérieur de la plante sous forme de complexe Pb-EDTA. La présence de niveaux élevés d’EDTA dans les tissus de la plante devrait augmenter la concentration en plomb soluble dans la plante par formation du complexe soluble Pb-EDTA, permettant son mouvement des racines aux parties aériennes où le plomb s’accumulerait sous la forme Pb-EDTA.

Les éléments minéraux ainsi solubilisés dans la rhizosphère sont prélevés par les racines au niveau des poils absorbants. La partie de cette racine ne possède pas de suber. Elle est formée de cellules végétales jeunes. Il existe deux chemins principaux d'absorption:

  • Le premier se fait par l'apoplaste. Il s'agit de la zone délimitée par les parois des cellules. Cette absorption suit les mouvements d'eau ainsi que les gradients de concentrations et les potentiels chimiques.
  • Le second est le chemin cytoplasmique. L'assimilation s'effectue au niveau des membranes des cellules des poils absorbants. Les mécanismes d'absorption sont passifs ou actifs. À ce niveau l'absorption est sélective et se fait aussi de manière passive ou active
2-Image montrant des poils absorbants


Dans les deux cas les éléments minéraux sont conduits jusqu’aux xylèmes (endoderme). L'accumulation a lieu après le passage de la barrière endodermique des racines. Ils sont ensuite transportés par la sève brute jusqu'aux cellules où ils seront séquestrés dans les vacuoles. L’entrée dans la vacuole se fait par l'intermédiaire de transporteurs spécifiques du chélateur (mécanisme connu uniquement pour la phytochélatine) si le métal est chélaté.On parle alors de translocation. Les quantités d'ions mobilisables, prélevées par la plante, dépendent de la quantité totale d'ions présents dans le sol et du nombre de poils absorbants. La présence de mycorhizes augmente la surface d'absorption du végétal et facilite le prélèvement des éléments minéraux.

Dans la grande majorité des cas, les métaux extraits du sol restent concentrés dans les racines de la plante. Mais ce n'est pas le cas des plantes métallophytes : l'essentiel de l'accumulation des végétaux a lieu dans les tiges. L'un des mécanismes permettant aux plantes d'accumuler des métaux toxiques sans développer de pathologie repose sur une stratégie de séquestration du métal dans les vacuoles, qui est en fait biologiquement indisponible. Le métal est ainsi présent dans la plante, mais sous une forme qui ne peut pas intervenir dans le métabolisme vital du végétal. Un autre façon de réduire cet toxicité est la biotransformation: les métaux lourds tel que l'arsenic sont incorporés à des composants organiques qui seront par la suite utilisés par la plante.

Cependant certains métaux tel que le cuivre (Cu) sont à l'origine de dégâts causés à la membrane plasmique. Par conséquent, les plantes hyperaccumulatrices de ces métaux doivent avoir comme propriété parallèle soit un système de réparation de la membrane, soit un système de résistance de la membrane à l'attaque des métaux.

Les organes de stockage des métaux sont très variés et dépendent du couple (végétal, métal) considéré. Généralement, ils sont retrouvés dans les feuilles et dans les tiges à des niveaux plus élevés que dans les racines. Ils peuvent également être stockés dans la sève, les bourgeons et les graines. Le tableau ci-dessous nous présente la localisation et la forme absorbées de certains métaux lourds.


Métal Localisation principale dans la plante Formes absorbées
As Racines et vieilles feuilles Sels solubles de AsO43-, As3+ et As5+
Cd Racines et feuilles Complexé, chélaté, Cd2+
Cr Racines et feuilles(mais en faible quantité) Facilement absorbé dans les sols acides, Cr(III), Cr(VI), CrO42
Co Feuilles ?
Cu Feuilles Chélates organiques à 99 %
Fe Retrouvé partout Fe2+, chélates et complexes organiques
Pb Racines Difficilement absorbé car adsorbé par les argiles
Ni Sève et racines Différents oxydes et chélates
Se Graines et bourgeons notamment Formes solubles (sélénate, sélénite)



D) L'exemple de Phytorestore dans la dépollution proprement dite


Au cours de nos recherches nous avons découvert une entreprise français nommé Phytorestores installé à Paris dont nous voulions présenté une technique de dépollution de nombreux polluants et notamment des métaux lourds. En effet, celle-ci à innover le domaine des jardins filtrants. Elle propose le protocole suivant illustré par le schéma simplifié ci dessous:

La dépollution se fait en deux temps, dans des casiers filtrants successifs sur deux niveaux. Dans le premier niveau, les métaux lourds, fortement retenus par les matières solides, sont libérés par l'action des plantes et l'ajout de substances chimiques inoffensives pour l'environnement. Celles-ci les « arrachent » puis les transportent sous forme dissoute : c'est la phytolixiviation. Au second niveau, les métaux dissous dans l'eau sont immobilisés et accumulés dans la rhizosphère, c'est ce qu'on appelle la phytofixation. À la sortie, l'eau est de qualité piscicole, type “eau de baignade” que l'on peut déverser dans la nature sans risques.

Cette technique n'est pas très couteuse et les résultats sont très satisfaisants. L'eau à la fin présente de faible taux de métaux lourd. 







2-Par procédés physico-chimiques


Pour la dépollution des métaux lourds par procédés physico-chimiques, il existe aussi plusieurs méthodes. Celle ci doivent prendre plusieurs facteurs en compte dont la nature du terrain et l'étendu pour les sols. Nous verrons donc dans cette partie deux procédés qui sont le traitement par lavage et l’extraction par électrisation. Cependant, la plupart des méthodes physico-chimiques sont réservé à des situations d'urgence ou transitoires du fait de leurs coûts donc utiliser très rarement surtout pour les sols.



A-Le traitement par lavage


Le lavage des sols contaminés peut ce faire à haute pression, à pression normale, sur site ou hors site. L’objectif est de séparer les particules les plus fines dans lesquelles sont principalement concentrés les polluants (lavage haute pression à l'eau), ou de capturer ces polluants dans une solution liquide (eau, acide). Dans le premier cas, la terre doit être excavée, les déchets récupérés seront stockés sous forme de galettes ; dans le deuxième cas, le traitement peut s'effectuer sans extraction si le terrain est perméable. la plupart des métaux lourds (cuivre, zinc, arsenic, cadmium, plomb) peuvent être extraits en utilisant une solution d'acide qu'il faut ensuite neutraliser (pour précipiter une partie des composés) puis décanter, filtrer et centrifuger, afin de séparer les éléments restants.

Le lavage in-situ à haute pression reste cependant limité dans son application à des zones de faible taille, la pression de l'eau diminuant rapidement avec la distance à la buse d'injection.




B- L'extraction par électrisation


Cette méthode s'utilise le plus souvent pour dépolluer les eaux contaminées. Dans le cas des sols, la nature du terrain ne compte pas pourvu que sa conductivité soit bonne (grâce à la présence d'eau par exemple). On effectue donc une électrolyse .Des électrodes poreuses sont implantées de manière à générer un courant électrique dans le sol qui fait migrer les ions vers les électrodes de charge opposées. La récupération des polluants se fait par pompage par exemple. Le schéma ci-dessous nous présente une électrolyse d'un sol pollué en métaux lourds. Une voit le générateur en marche, les ions métalliques vont migrer principalement vers la cathode, du fait qu’ils sont tous électronégatifs.

On remarque que cette technique nécessite une très grande quantité d'énergie si les volumes à traiter sont importants bien qu’elle soit particulièrement efficace.











3-Bilan

Au cours de cette première étude nous avons pu voire que la phytoremédiation était très efficaces et plus rentables en ce qui concerne les métaux lourds.  Toutefois, bien quelle soit très peu utiliser par rapport au moyen classique de dépollution celle ci présente un grand  nombre d’avantage. D’abord, l’activité biologique et la structure des sols sont maintenues après le traitement et la technique est beaucoup moins chère que les procédés physico-chimiques. De plus d’un point de vue esthétique, le paysage reste (ou devient) agréable grâce à l'implantation du couvert végétal (reverdissement, floraison).Enfin les métaux extraits peuvent facilement être récupérés et réutiliser avec le phytominage ce qui pourrait être une alternative car la demande mondiale en métaux lourd ne cesse de croitre. Cependant, on peut noter certains inconvénients de cette technique dont la lenteur d'action (des années pour dépolluer en partie un site industriel) et la mise en place de ce système qui demande beaucoup de temps par rapport aux procédés physico-chimiques, même si l’on utilise des plantes à croissance rapide dans ces types d’installation. De plus, celle ci présente des limites: la taille des plantes et des racines, qui ne permettent pas de dépolluer les couches inférieurs.

Il est donc nécessaire de s'impliquer ce processus naturel. Des recherches concernant l'optimisation des plantes utilisées (Allonger des racines devenues nombreuses, augmenter la biomasse, améliorer les performances d'extraction et d'accumulation) s'effectuent dans ce cadre. De plus il ne faut pas perdre de vue que seule une combinaison de plusieurs techniques et moyens peut rendre la phytoremédiation dans le cas des métaux lourds plus efficace. Citons  l'exemple de l'ajout dans le sol de chélateurs que nous avons vu dans cette partie ou encore l'électrocinétique (mouvement des ions dans le sol sous l'action d'un courant direct) qui est aussi utilisé.

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