Mécanismes et modélisation de l'accumulation foliaire du nickel par l'hyperaccumulateur Leptoplax emarginata

Mechanisms and modelling of foliar accumulation of nickel by the hyperaccumulator Leptoplax emarginata

• Auteur / Autrice : David Coinchelin
• Direction : François Bartoli, Guillaume Echevarria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 15/02/2011
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire sols et environnement (Vandoeuvre-les-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Morel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Echevarria, Jean-Louis Morel, Laurence Denaix, Pierre Berthomieu, Thierry Simonneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Denaix, Pierre Berthomieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nickel

Crucifères

Sols -- Décontamination

Phytorestauration

Mots clés libres

Phytoextraction

Hyperaccumulation

Nickel

Leptoplax emarginata

Modélisation biophysique

Facteur de bioconcentration

Coefficient de réflection

Transpiration

Phytoextraction

Hyperaccumulation

Nickel

Leptoplax emarginata

Modelling

Bioconcentration factor

Reflection coefficient

Transpiration

Résumé

Des modèles prédictifs de prélèvement d’éléments traces métalliques (ETM) par des plantes hyperaccumulatrices sont à développer pour rendre la phytoextraction opérationnelle. Ce travail a pour objectif de développer, calibrer et valider un modèle biophysique combiné d’accumulation foliaire et de mise en solution du nickel lors de cultures de l’hyperaccumulateur Leptoplax emarginata sur un sol fertilisé et contaminé en Ni. Une partie de ce modèle intègre un facteur de bioconcentration lié à la transpiration (TSCF) qui caractérise le mode de transport principal du Ni à travers la racine et jusqu’aux feuilles, lors d’une cinétique couplée de production de biomasse foliaire et de transpiration. Sur des plantes intactes et transpirantes, nous avons déterminé un TSCFNi supérieur à 1 du fait : (i) d’une grande perméabilité des racines à la fois au nickel et à l’eau et (ii) d’un transport actif du Ni largement prédominant. A l’opposé, le TSCFNi du blé de Printemps, plante exclusive, était inférieur à 0,02, et le coefficient de réflection correspondant proche de 1, ce qui caractérise des racines perméables à l’eau mais quasiment pas au nickel. L’exceptionnelle capacité de L. emarginata à accumuler et à tolérer le nickel dans ses feuilles, et plus précisément dans ses épidermes, serait également attribuable à ses transpiration et production de protéines soufrées très élevées, tout particulièrement au niveau de ses feuilles les plus jeunes. Enfin, après avoir couplé notre modèle biophysique d’accumulation foliaire du nickel au modèle de mise en solution des ETM développé par Ingwersen et al. (2006), nous avons optimisé les paramètres du modèle, notamment les paramètres physico-chimiques, et avons validé notre modèle sur des données cinétiques conjointes de quantités de nickel accumulé dans les feuilles de l’hyperaccumulateur et de concentration en nickel dans la solution du sol. Les perspectives de ce travail sont (i) un approfondissement des relations entre l’accumulation foliaire du nickel (ou d’un autre ETM) par un hyperaccumulateur, la transpiration et la production de protéines soufrées permettant une complexation de l’ETM et (ii) une adaptation du modèle pour le terrain, ce qui nécessite notamment une meilleure utilisation du couplage production de biomasse foliaire/transpiration et une prise en compte des cinétiques d’humectation et de dessiccation du sol (équation de Richards de transport d’eau en conditions non saturées), ce qui conduira à la mise au point d’un modèle 1D (la profondeur du sol) d’accumulation foliaire et de mise en solution d’ETM

To make phytoextraction practically feasible, predictive models of metal uptake by hyperaccumulators need to be developed. The aim of this work was to design, calibrate and validate a biophysical combined model of nickel foliar accumulation and availability in soil solution during cultures of the hyperaccumulator Leptoplax emarginata on a fertilized and Ni-contaminated sandy topsoil. We succeed in this. Part of the model integrates a transpiration bioconcentration factor (TSCF) which characterized the main Ni transport through the root and to the leaves. We determined a TSCF value greater than 1 for L. emarginata, which was attributed to (i) a high root permeability to both Ni and water and (ii) a predominant Ni active transport. By contrast, Spring wheat was characterized by a TCSF value less than 0.02 and a reflection coefficient very near 1, indicating that its roots are permeable to water but quite unpermeable to nickel. The high capacity of L. emarginata to tolerate and accumulate Ni in their leaves should also be attributed to its large transpiration and sulfur accumulation, particularly in their youngest leaves. Perspectives of this work are (i) a detailed study on relations between Ni accumulation, transpiration and production of sulphur proteins and (ii) a field adaptation of the model taken into account water transport in unsaturated conditions, leading to design a combined 1D model of nickel foliar accumulation and availability in soil solution