Potential of alfalfa for use in chemically and biologically assisted phytoremediation of soil co-contaminated with petroleum hydrocarbons and metals

par Ana Carolina Agnello

Thèse de doctorat en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Michel Madon.

Soutenue le 02-12-2014

à Paris Est en cotutelle avec l'Università degli studi (Cassino, Italie) , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) (laboratoire) et de Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE (laboratoire) .

Le président du jury était Piet N. L. Lens.

Le jury était composé de Michel Madon, Giovanni Esposito, Eric Van Hullebusch, David Huguenot.

Les rapporteurs étaient Grazia Masciandaro, Filip Tack.

  • Titre traduit

    Utilisation de la luzerne pour le traitement par phytoremédiation assistée chimiquement et biologiquement de sols co-contaminés par des métaux lourds et des hydrocarbures pétroliers


  • Résumé

    CONTEXTE GENERAL: En raison des activités anthropiques, les sols sont souvent contaminés par des métaux lourds et des hydrocarbures pétroliers. Le nombre important de sites multi-contaminés dans l'environnement met en lumière la nécessité de trouver des solutions adéquates à ces scénarios complexes d'assainissement, qui, de plus, sont rarement étudiés. Parmi les techniques d'assainissement biologique, la phytoremédiation est une technique qui se base sur les propriétés naturelles des plantes pour assainir les sols. L'utilisation conjointe des plantes et des microorganismes pour dépolluer les sols multi-contaminés est une stratégie de traitement en plein essor. Cependant, l'obstacle majeur qui entrave la réussite de tels traitements est la faible biodisponibilité des polluants dans le sol. Par conséquent, la phytoremédiation peut être assistée par des traitements chimiques et/ou biologiques afin de surmonter cette limitation et d'améliorer l'efficacité de l'assainissement. Dans cette étude, l'approche chimique implique l'ajout d'amendements biodégradables. Enfin, la stratégie biologique retenue dans ce travail est la bioaugmentation qui consiste à ajouter dans le sol des bactéries capables d'améliorer l'assainissement des polluants et/ou favoriser la croissance des plantes. PRINCIPAUX OBJECTIFS: a) Étudier le potentiel de la luzerne pour la phytoremédiation des sols multi-contaminés, b) Étudier les effets de l'acide organique de faible poids moléculaire acide citrique et le tensioactif Tween® 80 sur le processus de phytoremédiation et c) Étudier l'effet de la bioaugmentation avec la bactérie Pseudomonas aeruginosa sur le processus de phytoremédiation. METHODES: Détermination des taux de germination et de mortalité, évaluation des paramètres physiologiques des plantes. Quantification de la biomasse végétale, des métaux lourds dans les plantes, hydrocarbures pétroliers totaux (HCT) dans le sol, et indicateurs microbiologiques du sol. Calcul des paramètres de phytoremediation.RESULTATS REMARQUABLES: La luzerne a présenté une faible tolérance aux HCT du sol à 8400 mg kg-1 de matière sèche (MS). Celle-ci qui a été améliorée lorsque les HCT étaient présents à plus faible concentration (3600 mg kg-1 MS). La luzerne a été en mesure de prendre les métaux dans une proportion limitée (<100 mg kg-1 MS), tandis qu'elle a eu un effet positif sur le nombre de microorganismes du sol capables de dégrader les alcanes et sur l'activité de la lipase dans la rhizosphère. En outre, l'application combinée de l'acide citrique et du Tween® 80 a donné lieu à une amélioration plus importante de nombre et de l'activité microbienne dans la rhizosphère. La bioaugmentation avec P. aeruginosa a eu un effet sur l'amélioration de la biomasse de luzerne (augmentation de la biomasse végétale sèche totale de 71%). En outre, les taux les plus élevés d'élimination des HCT (68%, après 90 jours d'expérience) ont été obtenues dans les sols plantés avec la luzerne et bioaugmentées par P. aeruginosa. CONCLUSION GENERALE: La luzerne pourrait tolérer le sol co-contaminé par des métaux lourds et des hydrocarbures pétroliers, ce qui est une caractéristique essentielle en phytoremédiation. La luzerne ne peut cependant pas être considérée comme une espèce capable d'extraire activement les métaux lourds, même en présence d'amendements chimiques ou par bioaugmentation. Néanmoins, l'augmentation du nombre et de l'activité microbienne dans la rhizosphère a confirmé le potentiel de cette plante à être utilisée avec succès dans le traitement des hydrocarbures pétroliers. Ces effets ont été par ailleurs renforcés par l'application conjointe d'acide citrique et de Tween® 80. Enfin, la combinaison de la phytoremédiation et de la bioaugmentation semble une approche prometteuse pour réaliser l'assainissement des hydrocarbures pétroliers, lorsqu'ils sont présents dans des sols multi-contaminés


  • Résumé

    GENERAL BACKGROUND : As a result of anthropogenic activities, soil resources remain contaminated with heavy metals and petroleum hydrocarbons. The high frequency of occurrence of multi-contaminated soils in the environment brings to light the necessity to find remediation solutions adequate in such complex scenarios, which besides have seldom been studied. Phytoremediation is a biologically based remediation technology, which takes advantage of the intrinsic physiological abilities of plants to remediate contaminated media. Plants and their associated microorganisms perform phytoremediation processes (e.g. phytoextraction and rhizodegradation), which can bring about the clean-up of multi-contaminated soils. However, a major constraint which hinders the success of phytotechnologies is low bioavailability of pollutants in soil. As a result, chemically- and biologically-assisted phytoremediation are possible strategies used to overcome this limitation and improve the remediation efficiency. The chemical approach presented in this study involves the addition of biodegradable soil amendments to increase the ability of contaminants to be transferred from a soil compartment to plants and microorganisms. The biological strategy explored herein consists of inoculating contaminated soils with bacteria (bioaugmentation) able to improve remediation of pollutants and/or promote plant features.MAIN OBJECTIVES: a) To investigate the phytoremediation potential of alfalfa (Medicago sativa) in multi-contaminated soils b) To study the effects of the low molecular weight organic acid citric acid and the surfactant Tween® 80 on the phytoremediation process c) To assist phytoremediation with a bioaugmentation approach using Pseudomonas aeruginosa bacteria. METHODOLOGIES: Determination of germination and mortality rates, assessment of plant physiological parameters. Quantification of plant biomass, heavy metals in plants, total petroleum hydrocarbons (TPH) in soil, soil microbiological indicators. Calculation of phytoremediation parameters. REMARKABLE RESULTS : Alfalfa presented low tolerance to TPH contaminated soil at 8400 mg kg-1 soil, which was improved when TPH were present at lower concentration (3600 mg kg-1 soil). Alfalfa was able to take up metals to a limited extent (<100 mg kg-1 dry matter), while had a positive effect in promoting microbial number of alkane degraders and lipase activity in the rhizosphere. Moreover, the combined application of citric acid and Tween® 80 resulted in a greater improvement of these parameters. Bioaugmentation with P. aeruginosa had a promoting effect on alfalfa biomass (71% increase of plant total dry biomass). In addition, the highest TPH removal rates (68%, after 90 days of experiment) were obtained in soils vegetated with alfalfa and bioaugmented with P. aeruginosa.OVERALL CONCLUSION: Alfalfa could tolerate a heavy metal and petroleum hydrocarbon co-contaminated soil (subject to TPH levels), which is an essential characteristic for any plant species to be used in phytoremediation. Alfalfa could not be considered as an actively heavy metal removal species as it was not able to phytoextract significant amounts of heavy metals (still in the presence of soil amendments or bioaugmentation). Nevertheless, the enhancement of microbial number and activity in the rhizosphere encouraged the potential of this plant species to be successfully used in the remediation of petroleum hydrocarbons. These effects were additionally enhanced by the joint application of soil amendments. Finally, the combination of phytoremediation and bioaugmentation seems a promising approach to achieve the remediation of petroleum hydrocarbons, when present in multi-contaminated soils


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