2.6.2 Focus sur la rhizodégradation et la phytoextraction
Rhizodégradation
La dégradation des polluants organiques est sous le contrôle direct des microorganismes rhizosphériques plus que de la plante elle-même (cf. phytodégradation).
L'exemple de la figure 022 (d'après McKinlay et al. 1999[1]), pour l'atrazine, le met en évidence.
plantes dont le système racinaire a été débarrassé de ses microorganismes rhizosphériques (« plantes stérilisées ») ;
racines des plantes partiellement débarrassées de ses microorganismes associées (« plantes nettoyées ») ;
témoin (« plantes non nettoyées »).
En revanche, la plante exerce un rôle indirect sur la dégradation des polluants organiques :
Apport de composés carbonés sous forme de rhizodépots (10-40% de la production photosynthétique nette) sous forme d'exsudats, cellules mortes, etc. Ces rhizodépôts constituent aussi une source de carbone pour la dégradation de composés difficilement dégradables (co-cométabolisme) ;
Apport d'O2 via l'aérenchyme des macrophytes (hébergement de la microflore aérobie) : 100-200 µmol O2 h-1 g-1 de racine ;
Surface de fixation des microorganismes (niche écologique) ;
Structuration du sol et filtration physique ;
Isolation thermique (effet « tampon »).
Phytoextraction
Parmi les techniques de phytoremédiation, la phytoextraction présente le potentiel de développement le plus important lorsqu'une méthode de dépollution in situ de polluants inorganiques est recherchée. En effet, c'est la seule technique permettant de les extraire.
Les performances de phytoextraction se basent sur les paramètres suivants :
Facteur de bioconcentration (FBC), défini comme la concentration en métal dans la plante rapportée à la concentration totale dans le sol. Elle diminue à mesure que la concentration en métal dans le sol augmente ;
Facteur de translocation (FT), défini comme la translocation des métaux des racines vers les parties aériennes – concentration en métal dans les feuilles rapportée à la concentration en métal dans les racines. FT est supérieur à 1 chez les plantes hyperaccumulatrices. Cela signifie que les métaux se stockent préférentiellement dans les parties aériennes plutôt que dans les racines alors que les plantes seulement accumulatrices stockent surtout les métaux dans leurs racines ;
Rendement en biomasse végétale.
A partir des résultats de ces paramètres, on en déduit la quantité de métal extrait (en kg de métal/ha.an) = [métal] (en kg/tonne de plante) x biomasse végétale (en tonne/ha.an). Pour améliorer les performances de dépollution, on peut choisir des plantes avec plusieurs cycles de culture/an.
Dans l'idéal, le choix de la plante doit porter sur celles qui concentrent fortement les métaux dans la biomasse aérienne et qui en même temps produisent une biomasse importante sur une surface donnée (ex : par hectare) (Figure 023).
Ce graphique montre que la plante idéale n'existe pas. Le choix dépendra notamment de la valorisation possible de la plante une fois incinérée (Ex : valorisation énergétique, revente du métal accumulé, etc).
Le plus souvent, la teneur maximale en métaux est atteinte au stade « floraison ».
La durée de dépollution dépend 1/ de la teneur en polluant dans le sol, 2/ de la réduction souhaitée de teneur en polluant du sol et 3/ des capacités de la plante. La phytoextraction est surtout adaptée aux pollutions modérées.
Le développement de cette technique bute néanmoins sur des durées de dépollution parfois rédhibitoires (plusieurs années, voire dizaines ou centaines d'années pour dépolluer un sol). La détermination de la durée de dépollution dépend néanmoins de la base de calcul : calcul basé sur la totalité du polluant ou sur sa fraction biodisponible. Les métaux du sol forment en effet des pools plus ou moins biodisponibles (Figure 024) : biodisponibilité[2] immédiate, biodisponibilité différée, fraction non biodisponible. Ainsi pour une même teneur totale, ces différents pools peuvent varier considérablement.
Exemple
Dans l'exemple suivant de deux sols (Figure 025 ( Bouquet et coll. 2017[3])) contenant du plomb (Pb) à des teneurs équivalentes (170 mg/kg), la fraction non-résiduelle représente 55% dans le premier cas (pollution anthropique), et seulement 20% dans le second (anomalie naturelle liée à la composition de la roche mère).
Ce délai peut être raccourci en augmentant la fraction biodisponible des polluants grâce à l'emploi de molécules organiques (Ex : acide citrique) pour baisser le pH, ce qui augmente la solubilité de nombreux métaux ou de complexants (Ex : EDTA, sidérophores microbiens telle que la pyoverdine produite par les Pseudomonas). Ces molécules complexent les métaux des phases porteuses du sol (argile, matière organique), le complexe étant soluble. La plante prélève le complexe et/ou le métal libre (sous forme de cation).
Les complexants synthétiques sont malheureusement plus ou moins toxiques (Ex : EDTA) (d'après Salt et al. 1998)[4] pour les organismes du sol et leur coût est trop élevé pour pouvoir les appliquer en conditions réelles. La faisabilité pour les complexants naturels d'origine microbienne est à l'étude (acides organiques, sidérophores). Ces molécules peuvent augmenter la quantité de métaux du sol que la plante peut prélever et/ou favoriser la croissance des plantes. Au final, la quantité de métal prélevée par les plantes peut augmenter d'un facteur de 2 à 5 (Lebeau et al. 2008)[5].
Une fois les éléments inorganiques prélevés par la plante, cette dernière devient un déchet puisque finalement, la phytoextraction ne fait que transférer la pollution d'un compartiment (le sol) à un autre compartiment (la plante). Afin de réduire le volume de déchet, on peut incinérer la biomasse végétale, à l'aide de chaudières adaptées, de façon à ne pas réémettre dans l'atmosphère de polluants, avec deux valorisations possibles :
Bioénergie ;
Biocatalyseurs.
