Phytostabilisation de stériles de mines de terres rares à argiles ioniques avec la plante à fibres ramie (Boehmeria nivea L.)

Phytostabilization of ion-adsorption rare earth element mine tailings using the fiber plant ramie (Boehmeria nivea L.)

• Auteur / Autrice : Chang Liu
• Direction : Jean-Louis Morel, Rongliang Qiu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 16/05/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Sun Yat-sen University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire sols et environnement (Vandoeuvre-les-Nancy ; 1999-2010)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Odile Nicolas-Simonnot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Morel, Rongliang Qiu, Alan J. M. Baker, Qi Tang Wu, Ye-Tao Tang, Shizhong Wang, Françoise Watteau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alan J. M. Baker, Qi Tang Wu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Analyse

Engrais et amendements

Écologie des racines

Racines (botanique)

Plantes -- Développement

Biodisponibilité

Terres rares

Phytorestauration

Mots clés libres

Phytoremédiation

Disponibilité

Développement racinaire

Processus rhizosphériques

Amendements

Propriétés du sol

Phytoremediation

Availability

Root development

Rhizosphere process

Amendment

Soil properties

Résumé

Les gisements à argiles ioniques sont l’une des principales sources mondiales de REEs lourdes (HREEs). Leur exploitation a engendré de vastes surfaces de stériles miniers, qui sont une menace sérieuse pour l'environnement et la santé des populations voisines. La restauration des écosystèmes nécessite des solutions efficaces et adaptées à de telles surfaces. La phytostabilisation repose sur l’installation de plantes avec ou sans amendement et, en général, utilise des plantes tolérantes. Mais des plantes à intérêt économique peuvent être envisagées. La ramie est une plante vivace qui produit des fibres de haute qualité. Elle est potentiellement utilisable en phytostabilisation car tolérante aux métaux lourds. Mais cette option n’a pas été encore testée avec des REEs et dans des milieux difficiles (e.g. pH). C’est pourquoi cette thèse a étudié : (i) la tolérance de la ramie à des concentrations élevées de REEs ; (ii) la réponse de la ramie en termes de croissance et de développement sur des résidus miniers de REEs ; (iii) la faisabilité de la phytostabilisation avec la ramie et l’apport d'amendements et les conséquences sur l’évolution des propriétés du sol. L’approche générale a reposé sur des essais culturaux en conditions contrôlées, hydroponiques et en rhizotrons, et sur des essais en vraie grandeur conduits sur un ancien site minier de REEs. Les cultures hydroponiques ont montré que la biomasse de ramie n’est pas affectée par des concentrations faibles de REEs (1,6 à 80 μmol/L), tandis que des concentrations supérieures (160–800 µmol/L) inhibent la croissance. Les concentrations de P et Mo dans les racines augmentent avec l'augmentation des concentrations de REEs. Les processus d'absorption conduisent à une anomalie positive en Ce et à un enrichissement en HREEs dans les feuilles. L’expérience en rhizotron a montré l’intérêt de l’amendement organique. Il augmente le pH et les concentrations en éléments nutritifs (Ca, Mg, N, P), et diminue les REEs et l'Al extractibles (90%) ; la croissance et le développement de ramie sont alors favorisés. Seules les racines fines se développent durant les premiers mois d’expérience, tandis que 75% de la biomasse racinaire est représentée par les grosses racines après cinq mois. Elles contiennent 7–15% des REEs et 31–35% de l’Al absorbés par la plante. Ramie ne modifie pas la concentration des REEs extractibles, mais diminue celle d'Al dans les horizons supérieurs du sol. Le suivi pendant deux ans d’une expérimentation in situ de phytostabilisation avec apport d’amendement organique confirme les changements observés des propriétés chimiques du sol en surface (pH, éléments nutritifs, REEs et Al extractibles). Les grosses racines stockent plus de 60% des REEs et de l’Al absorbé. En plus de l'amélioration des propriétés du sol par l’amendement organique, les racines de ramie contribuent à l'apport de C, l'activation des nutriments et la stabilisation des éléments toxiques. Au plan des propriétés physiques du sol, la phytostabilisation augmente la porosité du sol, et favorise la différentiation du profil en horizons distincts. Les concentrations de REEs et d’Al extractibles dans les horizons traités sont significativement inférieures à celle des témoins. Les grosses racines sont observées dans l’horizon amendé, tandis que les racines fines atteignent 50 cm. L’observation des lames minces de sol a révélé des associations racines-minéraux, matière organique-minéraux et minéraux-minéraux, qui contribuent à l’édification de la structure du sol. En conclusion, la thèse a permis de mieux comprendre les mécanismes de tolérance de la ramie aux REEs, de montrer les effets de la plante sur la dynamique des REEs et des éléments nutritifs, et de décrire les processus pédogénétiques précoces qui suivent l’implantation, notamment les processus de structuration du sol. Au plan pratique, le travail a montré que la phytostabilisation de sites miniers difficiles est possible avec une plante à fibre à usage [...]

Ion-adsorption REE deposits are one of the world's main sources of heavy REEs (HREEs). Their exploitation has generated vast areas of mine tailings, which are a serious threat to the environment and the health of neighboring populations. The restoration of ecosystems requires effective solutions adapted to such large surfaces. Phytostabilization is based on the installation of plants with or without amendment and, in general, uses tolerant plants. But plants of economic interest can be considered. Ramie is a perennial plant that produces high quality fiber. It is potentially usable in phytostabilization because it is tolerant to heavy metals. But this option has not yet been tested with REEs and in difficult environments (e.g. pH). This is why this thesis studied: (i) the tolerance of ramie to high concentrations of REEs; (ii) the response of ramie in terms of growth and development on REE mine tailings; (iii) the feasibility of phytostabilization with ramie and the addition of amendments and the consequences on the evolution of soil properties. The general approach was based on cultivation trials under controlled, hydroponic and rhizotron conditions, and on full-scale trials conducted on a former REE mining site. Hydroponic cultures showed that ramie biomass is not affected by low concentrations of REEs (1.6–80 μmol/L), while higher concentrations (160–800 μmol/L) inhibit growth. P and Mo concentrations in the roots increased with increasing REE concentrations. The uptake processes lead to a positive Ce anomaly and an enrichment of HREEs in the leaves. The rhizotron experiment has shown the interest of organic amendment. It increases pH and nutrient concentrations (Ca, Mg, N, P), and decreases extractable REEs and Al (90%); the growth and development of ramie are then favored. Only the fine roots develop during the first months of the experiment, while 75% of the root biomass is represented by the large roots after five months. They contain 7–15% of the REEs and 31–35% of the Al taken up by the plant. Ramie does not modify the concentration of extractable REEs, but decreases that of Al in the upper soil horizons. The two-year follow-up of an in situ phytostabilization experiment with the addition of organic amendment confirms the changes observed in the chemical properties of the surface soil (pH, nutrients, REEs and extractable Al). Large roots store more than 60% of REEs and absorbed Al. In addition to improving soil properties through organic amendment, ramie roots contribute to the supply of C, the activation of nutrients and the stabilization of toxic elements. In terms of the soil physical properties, phytostabilization increases soil porosity, and favors the differentiation of the profile into distinct horizons. The concentrations of REEs and extractable Al in the treated horizons are significantly lower than those of the controls. Large roots are observed in the amended horizon, while fine roots reach 50 cm. Observation of the soil thin sections revealed root-mineral, organic matter-mineral and mineral-mineral associations, which contribute to building the soil structure. In conclusion, the thesis made it possible to better understand the mechanisms of tolerance of ramie to REEs, to show the effects of the plant on the dynamics of REEs and nutrients, and to describe the early pedogenetic processes that follow implantation, in particular the processes of soil structuration. Practically, the work has shown that phytostabilization of harsh mine sites is possible with a fiber plant for commercial use.