Optimisation de la phytoextraction du cuivre en sols viticoles

Optimisation of copper phytoextraction in vineyard soils

• Auteur / Autrice : Pierre Eon
• Direction : Jean-Yves Cornu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie et écotoxicologie
• Date : Soutenance le 15/11/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions sol plante atmosphère (INRA Bordeaux-Aquitaine)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Sayen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Pédrot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eva Schreck, Domenico Morabito

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viticulture

Bioaccumulation

Sols -- Teneur en cuivre

Mots clés libres

Métaux

Plantes hyperaccumulatrices

Substances humiques solubles

Biochélatants

Transfert sol-plante

Metals

Hyperaccumulative plants

Soluble humic substances

Biochelators

Soil-plant transfer

Résumé

Le cuivre (Cu) est largement utilisé comme fongicide en viticulture via une application foliaire pour lutter contre le mildiou de la vigne. Une partie du cuivre est lessivée vers le sol lors des épisodes de pluie, et l’utilisation répétée de ces fongicides a conduit à une accumulation de cuivre dans les sols viticoles. Cette accumulation peut avoir des conséquences néfastes sur le fonctionnement des écosystèmes viticoles sur le long terme. En complément de la recherche d’alternative à l’utilisation de Cu, il est nécessaire de proposer des solutions de remédiation pour limiter l’accumulation de ce métal et ses éventuels effets délétères. La phytoextraction est une solution peu coûteuse et non polluante qui permet une décontamination in situ adaptée pour des grandes surfaces. Pour ces raisons, elle est déjà utilisée pour certains métaux traces. Cependant, les conditions favorables à la phytoextraction ne sont pas remplies dans le cas de Cu en contexte viticole car il n'existe aucune plante hyperaccumulatrice de Cu, et la disponibilité de Cu des sols viticoles est modérée. Ainsi, les rendements de phytoextraction de Cu peinent à atteindre la centaine de g Cu ha-1 an-1. Premièrement, cette thèse a pour objectif d'évaluer la sensibilité d'un panel de plantes à la contamination cuprique dans le but d'en trouver une ou plusieurs répondant positivement à une hausse de phytodisponibilité de Cu, et pouvant accumuler une grande quantité de Cu dans leur parties aériennes sans perte de biomasse. Deuxièmement, cette thèse vise à évaluer les effets d'apport de thé de compost oxygéné (TCO) sur la dynamique de Cu dans les sols viticoles. Ces TCO résultent de l'infusion de compost dans l'eau et sont riches en substances humiques solubles (SHS), qui ont la capacité de mobiliser le Cu présent dans le sol. La généricité et durabilité de ces effets a été déterminée sur un panel de sols viticoles. Le risque éventuel du transfert de Cu vers la profondeur en lien avec cette mobilisation sera également étudié. Pour finir, le troisième objectif vise à la mise en place d'un itinéraire de culture pour atteindre un rendement d'extraction de 1 kg Cu ha-1 an-1. La réponse de nombreuses espèces de plantes à une augmentation de la concentration en Cu a été caractérisée. Les plantes ont des stratégies efficaces pour lutter contre la contamination cuprique et seules quelques espèces ont été négativement impactées. Cependant, aucune espèce n'a accumulé plus de 50 mg Cu kg-1 dans ses parties aériennes, or, des plantes capables d'accumuler plusieurs centaines de mg Cu kg-1 sont nécessaires pour que leur utilisation en phytoextraction de Cu puisse être considérée. Les SHS contenues dans les TCO ont permis d'augmenter la mobilité et la biodisponibilité de Cu dans les sols viticoles. L'efficacité de la mobilisation de Cu dépend de l'affinité pour le Cu des SHS qu'ils contiennent, et du degré avec lequel leur apport augmente la concentration des SHS dans l'eau porale du sol. Bien que les effets de l'apport de TCO perdurent avec le temps, ils s'atténuent avec la fixation des SHS sur les phases solides et de leur dégradation par les micro-organismes. Des mesures isotopiques ont mis en évidence que la mobilisation est limitée aux premiers cms du sol et que le risque de transfert de Cu vers la profondeur est relativement faible. Des essais réalisés en conditions réalistes nous ont permis de tripler le rendement de phytoextraction via l'apport de TCO, confirmant leur effet bénéfique sur la croissance des plantes et la phytodisponibilité de Cu. Cependant, les rendements d'extraction de Cu ont varié entre 25 et 165 g Cu ha-1 an-1, ce qui reste faible comparé à l'objectif visé de 1000 g Cu ha-1 an-1. Ces résultats ont montré que les SHS contenues dans les TCO permettent de mobiliser le Cu sans risque de transfert vers la profondeur, mais l'absence de plante hyperaccumulatrice de Cu limite la mise en place de la phytoextraction pour atténuer la contamination des sols viticoles.

Copper (Cu) is widely used as a fungicide in viticulture, through foliar application, to prevent downy mildew in vines. A portion of Cu is leached into the soil during rainfall, and the repeated use of these fungicides has led to an accumulation of copper in vineyard soils (up to several hundreds of mg kg-1 in some soils). This accumulation can have harmful consequences for the functioning of vineyard ecosystems over the long term. Alongside the search for alternatives to the use of copper, it is necessary to provide remediation solutions to reduce its accumulation and/or its potential harmful effects. Phytoextraction is an inexpensive, non-polluting solution that can be used to remediate large areas in situ. For these reasons, it is already widely used for some trace metals. However, the conditions favorable to phytoextraction are not satisfied in the case of Cu in a vineyard context. There are no plants recognized as Cu hyperaccumulators, and Cu availability in vineyard soils is moderate. As a result, Cu phytoextraction yields struggle to reach around 100 g Cu ha-1 year-1. Firstly, the aim of this thesis was to assess the sensitivity of a panel of plants to Cu contamination, in order to find one or more plants that respond positively to an increase in Cu phytoavailability and can accumulate a large quantity of copper in their aerial parts without any loss of biomass. The second objective of this thesis was to evaluate the effects of aerated compost tea (ACT) on copper dynamics in vineyard soils. These liquids resulting from the infusion of compost in water and are rich in soluble humic substances (SHS) which have the ability to mobilize and complex the Cu present in the soil. The genericity and durability of these effects will be determined on vineyard soils with contrasting physico-chemical properties. The potential risk of Cu being transferred downwards as a result of this mobilization will also be investigated. Finally, the combination of these two objectives aimed to set up a cultural itinerary to achieve an extraction yield of 1 kg Cu ha-1 year-1. Several plant species were characterized as responding to an increase in Cu concentration. Plants exhibit efficient strategies for combating copper contamination, and only a few species were adversely affected. However, no species accumulated more than 50 mg Cu kg-1 in its aerial parts, and plants capable of accumulating several hundred mg Cu kg-1 are needed for their use in Cu phytoextraction to be considered. The SHS contained in ACT have made it possible to increase the mobility of Cu, as well as its bioavailability in vineyard soils. The efficiency of Cu mobilization by ACT depends on the affinity of Cu for the SHS they contain, and the degree to which their addition increases the concentration of SHS in the soil pore water. Although the effects of adding ACT persist over time, they diminish as the SHS bind to the solid phases and are degraded by soil micro-organisms. Isotopic measurements showed that mobilization was limited to the first few centimeters of soil and that the risk of copper in-depth transfer was relatively low. Trials carried out under realistic conditions enabled us to almost triple the phytoextraction yield by adding ACT, confirming the beneficial effect of ACT on plant growth and Cu phytoavailability. However, Cu extraction yields varied between 25 and 165 g Cu ha-1 year-1, which remains low compared with the target of 1000 g Cu ha-1 year-1. These results show that the SHS contained in ACT can mobilize Cu without any risk of in-depth transfer, but the absence of Cu-hyperaccumulating plants limits the use of phytoextraction to mitigate contamination of vineyard soils.