Dynamique de compétition entre le césium et le strontium dans les systèmes sol-plante : Vers une optimisation de la phytostabilisation par Cannabis sativa

Dynamic of competition between cesium and strontium in soil-plant systems: an optimization of phytostabilization by Cannabis sativa

• Auteur / Autrice : Jean Latrille
• Direction : Nathalie Leonhardt
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie-Santé - Spécialité Biologie Végétale
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : BIAM - Institut de Biosciences et Biotechnologies d'Aix-Marseille - CEA/CNRS/AMU
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : BIAM - PEPSS - Plant Environmental Physiology and Stress Signaling
• Jury : Président / Présidente : Anne-Aliénor Very
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Leonhardt, Jean-Yves Cornu, Christelle Latrille, Lydie Le forestier, Sébastien Thomine
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lydie Le forestier, Sébastien Thomine

Mots clés

Mots clés libres

Phytostabilisation

Cesium

Strontium

Multi-contamination

Transfert sol-plante

Cannabis sativa

Phytostabilization

Cesium

Strontium

Multi-contamination

Soil-plant transfer

Cannabis sativa

Résumé

Les isotopes radioactifs du césium (Cs) et du strontium (Sr) sont des contaminants majeurs des sols à la suite d’accidents nucléaires. La remédiation de ces sols peut être envisagée via des techniques de phytostabilisation, dans lesquelles les plantes sont sélectionnées pour leurs capacités à limiter la lixiviation des contaminants vers les eaux souterraines et leur transfert vers les parties aériennes. La phytostabilisation permet une valorisation des zones contaminées par la production végétale d’intérêt agro-industriel (Cannabis sativa). Cependant il existe peu de données suffisantes dans la littérature sur la capacité de ces plantes pour des techniques de phytostabilisation. L’évaluation de ces techniques repose sur des modèles prédictifs nécessitant une compréhension fine des processus impliqués, notamment dans le cas de contaminations multi-élémentaires. Le processus d’échange d’ions à l’interface solide/solution joue un rôle clé dans la rétention du Cs et du Sr, tandis que l’absorption des cations par la plante se fait via des systèmes de transport spécifiques. Cette étude explore les effets d’une contamination simultanée en Cs et Sr sur les processus de rétention dans les sols et d’absorption chez Cannabis sativa. Une démarche pas à pas a été adopté pour discrimer les processus mis en jeu et la contribution des différentes phases du sol. Cette étude s’appuie sur la modélisation de l’adsorption de Cs et de Sr par le modèle MSIE (Multisite Ion Exchange) et une approche additive. Les résultats montrent une compétition entre ces éléments spécifiquement à faibles concentration, et selon leurs sélectivités vis-à-vis des sites de sorption. Les carbonates influencent indirectement la sorption de Cs et de Sr en régulant les équilibres entre la pCO2, la calcite et le pH, alors que la matière organique n’a pas d’effet significatif sur la sorption de Cs et de Sr. L’absorption du Cs et du Sr a été étudié chez Cannabis sativa par une description macroscopique des systèmes de transport suivant des cinétiques de Michaelis-Menten. Contrairement aux résultats de la littérature, le Cs n’est pas absorbé par les transporteurs de haute affinité du K, mais par un système de transport de plus faible affinité. Pour le Sr, son système de transport diffère de celui du Ca. Les études de compétition ont montré que le Cs et le K sont des ions compétiteurs, tandis que le Ca et le Sr ne le sont pas. De plus, la présence simultanée de Cs et de Sr n’a pas d’effet sur leur absorption respective, indiquant une absence de compétiteurs à ce niveau. Ces résultats mettent en évidence les effets compétitifs dans les processus de sorption et d’absorption dans la rhizosphère, tout en soulignant le potentiel de Cannabis sativa pour des applications de phytostabilisation dans des sols contaminés.

Radioactive isotopes of cesium (Cs) and strontium (Sr) are major soil contaminants following nuclear accidents. Soil remediation can be achieved through phytostabilization technique, where plants are selected based on their ability to limit contaminant leaching into groundwater and prevent contaminant transfer to aerial parts of the plants. Phytostabilization also allows for the valorization of contaminated areas by producing plants with agro-industrial interest (Cannabis sativa). However, there is a lack of sufficient data in the literature on the ability of these plants for phytostabilization techniques. The evaluation of these techniques relies on predictive models that require a deep understanding of the involved processes, especially under multi-element contamination scenarios. Ion exchange processes at the solid/solution interface play a key role in the retention of Cs and Sr, while plant uptake of these cation occurs through specific transport systems. This study investigates the effects of simultaneous Cs and Sr contamination on retention processes in soils and uptake by Cannabis sativa. A step-by-step approach was used to discriminate processes involved and assess the contributions of the various soil phases. The adsorption of Cs and Sr was modeled using the multisite ion exchange (MSIE) model and an additive approach. The results indicate a competitive behavior between Cs and Sr, especially at low concentrations, and depending on their selectivity for sorption sites. Carbonates have only an indirect effect on Cs and Sr sorption by regulating the balance between pCO2, calcite and pH, while organic matter had no significant influence on Cs and Sr sorption in the studied soil. The uptake of Cs and Sr by Cannabis sativa investigated using a macroscopic description of transport systems based on Michaelis-Menten kinetics. Contrary to the literature, Cs does not appear to be absorbed by the high-affinity K transporters in hemp, but through a lower-affinity transport system. The transport systems for Sr and Ca were shown to differ significantly. Competitive uptake studies revealed that Cs and K are competing ions, while Ca and Sr are not. Furthermore, the simultaneous presence of Cs and Sr did not affect their respective absorption, indicating a lack of competition during uptake. This study highlights the competition effects occurring during sorption and uptake processes in the rhizosphere and demonstrate the potential of Cannabis sativa for phytostabilization techniques in contaminated soils.