Phytoextraction process coupled with the bioaugmentation of a multi-contaminated agricultural soil, containing chromium, mercury and lead
Procédé de phytoextraction couplé à la bioaugmentation d'un sol agricole polycontaminé par du chrome, du mercure et du plomb
Résumé
Agricultural soils have been contaminated for many years by both direct pesticides and fertilizer supplies, and indirect contaminations originated from industrial activities. The agricultural soil used in the present study was collected in the Thur valley (Haut-Rhin, France), and contains chromium (488 mg/kg), mercury (13 mg/kg) and lead (381 mg/kg). Phytoextraction is a soft-cleaning technology, cost-effective and non-destructive for biological life in soil. Nevertheless the low availability of metals in soil along with the slowness of the phytoextraction rocess represent limiting factors that are likely to reduce its efficiency. A new technology named rhizoremediation, which associate bioaugmentation and phytoremediation, was tested in this study in order to enhance the phytoextraction rate. Our results showed that Cr and Pb availability in soil was enhanced, as the result of the bioaugmentation of soil with microorganisms producing siderophores, especially with the Pseudomonas species. The siderophore production with Pseudomonas species was optimized with the addition of carbon substrates. Immobilization of bacterial cells in Ca-alginate beads supplied with skim milk enhanced the siderophore production in a metal-containing media and improved the bacterial survival in soil. More than 90% of Cr, Fe and Pb and more than 40% of Hg were adsorbed onto Ca-alginate beads surface, which decrease metal toxicity for immobilized or free cells, and create an iron deficiency inside the beads, which enhanced siderophores production by microorganisms. The selected icroorganisms were inoculated in the contaminated soil, with maize as a model plant. The bioaugmentation of soil pots with immobilized cells of P. aeruginosa and skim milk enhanced the amount of metal accumulated in leaves by a factor of 5.4 and 3.8 for Cr and Pb respectively compared to non-bioaugmented pots. Soil bioaugmentation with free cells of R. metallidurans supplied with skim milk enhanced Cr extraction by leaves by a factor of 5.2.
Les sols agricoles sont depuis de nombreuses années contaminés directement par apports d'intrants (pesticides, fertilisants) mais également de façon indirecte en raison de la proximité de certaines installations industrielles. Notre étude porte sur des sols agricoles à l'aval de la vallée de la Thur (Haut-Rhin), polycontaminés par du chrome (488 mg/kg), du mercure (13 mg/kg) et du plomb (381 mg/kg). La phytoextraction est une méthode innovante, employée pour ses propriétés respectueuses de la vie biologique du sol et son faible coût. La faible disponibilité des métaux dans le sol (notamment Cr, Hg et Pb), et par conséquent le temps de décontamination, constitue la principale limite de cette technique. La bioaugmentation couplée à la phytoremédiation (rhizoremédiation) est une technique récente qui a été testée pour cette étude de façon à accroître la vitesse de phytoextraction. Les résultats ont montré que les microorganismes producteurs de sidérophores, notamment les Pseudomonas, étaient potentiellement intéressants pour augmenter la mobilité du chrome et du plomb dans le sol. La production de sidérophores par des cellules libres ou immobilisées de Pseudomonas cultivées en présence de divers substrats carbonés a été optimisée. L'immobilisation des microorganismes dans des billes d'alginate de calcium enrichies en lait écrémé a montré que les microorganismes étudiés produisaient plus de sidérophores en présence de métaux et que leur survie dans le sol était accrue. Les billes de Ca-alginate adsorbent plus de 90% de Cr, Fe et Pb ainsi que plus de 40% de Hg, ce qui diminue la toxicité métallique pour les cellules libres ou immobilisées, et crée également un déficit en Fe dans les billes, stimulant ainsi la production de sidérophores par les microorganismes. Les microorganismes sélectionnés ont ensuite été inoculés dans le sol contaminé, cultivé avec du maïs comme plante modèle. La bioaugmentation des pots de sol avec Pseudomonas aeruginosa co-immobilisé dans des billes de Ca-alginate avec du lait écrémé a permis de multiplier le prélèvement de Cr par les feuilles de maïs par 5,4 et celui du Pb par 3,8 par rapport aux pots non bioaugmentés. L'inoculation du sol enrichi en lait écrémé avec des cellules libres de R. metallidurans a permis d'augmenter le rélèvement foliaire de Cr par 5,2.