Potentialités métaboliques des Plantes et Champignons dans la biodégradation des polychlorobiphényles

Plants and fungi metabolic potentialities in the bioremediation of polychlorinated biphényls

• Auteur / Autrice : Joaquim Germain
• Direction : Bello Mouhamadou, Muriel Raveton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement
• Date : Soutenance le 04/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'écologie alpine (Grenoble, Isère, France ; Le-Bourget-du-Lac, Savoie, France ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Reynaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bello Mouhamadou, Muriel Raveton, Philippe Binet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Clément, Diederik van Tuinen

Mots clés

Mots clés contrôlés

PCB de type dioxine

Biorestauration in situ

Microorganismes

Développement durable

Mots clés libres

Développement durable

Microorganismes

Biodépollution

Pcb

Plantes

Plants

Bioremediation

Pcb

Sustainable development

Microorganisms

Résumé

Les polychlorobiphényles (PCB) sont des organochlorés toxiques pour l’environnement et pour l’homme. Ils ont été utilisés pendant le 20ème siècle et sont interdits de production en 1987 en France. Malgré cette interdiction leur persistance dans l’environnement nécessite de mettre en œuvre des stratégies de dépollution efficaces et respectueuses de l’environnement. La plupart des études utilisant les organismes vivants pour dépolluer les sols se sont concentrées sur l’utilisation d’un seul type d’organisme ; peu ont étudié ou exploré les associations biologiques. L’objectif de cette étude est de développer une nouvelle approche de dépollution des sols basée sur l’utilisation de plusieurs partenaires biologiques à effets synergiques : Plantes : Miscanthus giganteus et Medicago sativa ; champignons saprophytes natifs des sols contaminés et champignons mycorhiziens présents dans les racines des plantes. Ainsi, des souches fongiques saprophytes ont été isolées d’un sol fortement contaminé en PCB et cinq souches (Penicillium chrysogenum, P. citreosulfuratum, P. canescens, Aspergillus jensenii et Acremonium sclerotigenum) capables de dégrader efficacement ces polluants ont été caractérisées. Parmi ces souches, P. canescens est capable de réduire significativement la toxicité liée aux PCBs et à leurs métabolites. Ces cinq souches utilisées en consortium dans des expériences en mésocosmes en utilisant le sol fortement pollué en PCB (850 ppm) à partir duquel elles avaient été isolées, ont montré une réduction significative des PCB de 27% après trois mois de traitement. Avec un sol contenant 30 ppm de PCB, la biodégradation ne s'est pas produite. La biodégradation mise en évidence dans le sol à 850 ppm s'est traduite par une amélioration partielle et significative de la stœchiométrie des activités enzymatiques d'acquisition de l'azote et du phosphore signifiant un meilleur fonctionnement de ce sol. La capacité à dégrader les PCB de ce même consortium a été étudiée sur les deux précédents sols en association avec M. giganteus et son cortège mycorhyzien ou Me. sativa. Pour le sol contenant 850 ppm, une réduction de 27 % après trois mois de traitement a été observée pour M. giganteus en présence des champignons mycorhiziens, avec ou sans inoculum saprophyte. La présence des champignons s’est aussi accompagnée au niveau de M. giganteus d’une modulation de la stratégie d’acquisition des ressources au niveau aérien et racinaire, ainsi que d’une augmentation du stress au niveau racinaire. Pour le sol 30 ppm, les mésocosmes avec M. giganteus n’ont montré aucune dégradation. En revanche, pour Me. sativa associée au consortium saprophyte, une dégradation de l’ordre de 31 % a été observée. La présence des champignons saprophytes s’est également accompagnée d’une modulation de la stratégie d’acquisition des ressources au niveau racinaire, d’une diminution des pigments photosynthétique et d’une légère augmentation du stress oxydant racinaire. De plus, l’activité de la nitrate réductase, enzyme décrite comme dégradant les PCB est induite en présence des souches saprophytes.Bien que les taux de biodégradations obtenues restent autour de 30 %, ces résultats démontrent tout l’intérêt des associations biologiques en terme de dépollution des sites. Il est possible d’améliorer ces taux de biodégradation en agissant sur des facteurs limitant tels que la biodisponibilité des PCB, la toxicité des PCB et de leurs métabolites vis-à-vis des organismes étudiés ou encore le temps de traitement pour obtenir une véritable synergie efficace entre les différents partenaires biologiques.

Polychlorinated biphenyls (PCBs) are organochlorines that are toxic to the environment and to humans. They were used during the 20th century and were banned from production in France in 1987. Despite this ban, their persistence in the environment requires the implementation of effective and environmentally friendly remediation strategies. Most studies using living organisms for soil remediation have focused on the use of a single type of organism; few have studied or explored biological associations. The purpose of this study is to develop a new approach to soil remediation based on the use of several biological partners with synergistic effects: Plants : Miscanthus giganteus and Medicago sativa; saprophytic fungi native to contaminated soils and mycorrhizal fungi present in plant roots. Thus, saprophytic fungal strains have been isolated from a soil heavily contaminated with PCBs (850 ppm) and five strains (Penicillium chrysogenum, P. citreosulfuratum, P. canescens, Aspergillus jensenii and Acremonium sclerotigenum) able of efficiently degrading these pollutants were characterized. Among these strains, P. canescens is able to significantly reduce the toxicity linked to PCBs and their metabolites. These five strains used in consortium in mesocosm experiments using soil heavily polluted with PCBs from which they had been isolated, showed a significant reduction of PCBs by 27% after three months of treatment. With a soil containing 30 ppm of PCBs, biodegradation did not occur. The biodegradation demonstrated in the 850 ppm soil resulted in a significant partial improvement in the stoichiometry of nitrogen and phosphorus acquisition enzyme activities, indicating a better functioning of this soil. The capacity to degrade PCBs of this same consortium was studied on the two previous soils in association with M. giganteus and its root mycorrhizal fungi or Me. sativa. For the soil containing 850 ppm, a 27% reduction after three months of treatment was observed for M. giganteus in the presence of mycorrhizal fungi, with or without saprophytic inoculum. The presence of the fungi was also accompanied in M. giganteus by a modulation of the resource acquisition strategy at the aerial and root level, as well as an increase in stress at the root level. For the 30 ppm soil, mesocosms with M. giganteus showed no degradation. In contrast, for Me. sativa associated with the saprophytic consortium, a degradation of about 31% was observed. The presence of saprophytic fungi was also accompanied by a modulation of the resource acquisition strategy at the root level, a decrease in photosynthetic pigments and a slight increase in root oxidative stress. In addition, the activity of nitrate reductase, an enzyme described as degrading PCBs, is induced in the presence of saprophytic strains.Although the biodegradation rates obtained remain around 30%, these results demonstrate the interest of biological associations in terms of site remediation. It is possible to improve these biodegradation rates by acting on limiting factors such as the bioavailability of PCBs, the toxicity of PCBs and their metabolites towards the studied organisms or the treatment time to obtain a real efficient synergy between the different biological partners.