Tolerance and accumulation in spontaneous metallurgical landfill vegetation: potentialities in phytoremediation strategies
Tolérance et accumulation des métaux lourds par la végétation spontanée des friches métallurgiques : vers de nouvelles méthodes de bio-dépollution
Résumé
Among the main pollutants generated by industrial activities, heavy metals, such as Cu, Pb or Cr, are of major concern. Indeed, these elements, which are nonbiodegradable, are highly ecotoxic and could be implied in different human diseases. Thus, to resume the terms of a recent report of the Parliamentary Office of the Scientific and Technological Choices, "if heavy metals made civilization, they can also dismantle it". It is today essential not only to better know the effects of these pollutants on the living organisms, but also to develop adapted solutions, in order to limit the risks. In this context, plants are really interesting. Indeed, plants, which are directly confronted with the toxic compounds of the medium, could be not only used as biomarkers of toxicity of the medium, but also as a tool for stabilization of the pollutants. However, data concerning influence of heavy metals on vegetation, subjected to a chronic metal exposure, as well as the role of the plants on metal becoming are still insufficient. Consequently, is necessary to carry on research in this field in order to better understand interactions between plants and pollutants and to find new species usable in phytoremediation programs.
This work presents results of the study of the natural vegetations developing on three metallurgical dumps in Rhone Alpes region. Although heavily polluted soils, more than 200 plant species were identified, belonging to 50 botanical families. Thus, using a standardized procedure, metals were highly “phytoavailable”, whereas mean leaf metal contents in native vegetation showed no more accumulation than a reference plant growing in uncontaminated environments. Consequently, metal phytoavailability can be considered as low despite very high total levels. Although poor phytoavailable metals levels were demonstrated, metallurgical waste deposits had clearly an impact on the structure of plants communities. Phytosociological relevés performed on the metallurgical sites evidenced four quite unusual well-marked major vegetation goup whose three of them had never been described. Among these groupments, the abundant species, Plantago arenaria Waldst. & Kit. showed high metal tolerance, especially for Cd. For Cd and Ni tolerance was a constitutive character and an adaptative trait for Cu. This good constitutive tolerance could be a characteristic of pioneer and dryness resistant species. In P. scabra, the mechanisms of Cd resistance to cadmium could imply an activation of the antioxydant root system and a translocation limitation.
To continue this work, it's necessary to get complementary information on resistance mechanisms involved in heavy metal tolerance in P. arenaria and particularly on intracellular chelation. In addition, it would be interesting to carry out the first tests of recolonisation in real conditions.
This work presents results of the study of the natural vegetations developing on three metallurgical dumps in Rhone Alpes region. Although heavily polluted soils, more than 200 plant species were identified, belonging to 50 botanical families. Thus, using a standardized procedure, metals were highly “phytoavailable”, whereas mean leaf metal contents in native vegetation showed no more accumulation than a reference plant growing in uncontaminated environments. Consequently, metal phytoavailability can be considered as low despite very high total levels. Although poor phytoavailable metals levels were demonstrated, metallurgical waste deposits had clearly an impact on the structure of plants communities. Phytosociological relevés performed on the metallurgical sites evidenced four quite unusual well-marked major vegetation goup whose three of them had never been described. Among these groupments, the abundant species, Plantago arenaria Waldst. & Kit. showed high metal tolerance, especially for Cd. For Cd and Ni tolerance was a constitutive character and an adaptative trait for Cu. This good constitutive tolerance could be a characteristic of pioneer and dryness resistant species. In P. scabra, the mechanisms of Cd resistance to cadmium could imply an activation of the antioxydant root system and a translocation limitation.
To continue this work, it's necessary to get complementary information on resistance mechanisms involved in heavy metal tolerance in P. arenaria and particularly on intracellular chelation. In addition, it would be interesting to carry out the first tests of recolonisation in real conditions.
Parmi les principaux polluants générés par les activités industrielles, les métaux lourds, tels que le Cu, le Pb, le Cr... posent des problèmes particulièrement préoccupants. En effet, ces éléments, par nature non biodégradables, présentent une forte écotoxicité et pourraient être impliqués dans de nombreuses pathologies. Ainsi, pour reprendre les termes d'un récent rapport de l'Office Parlementaire des Choix Scientifiques et Technologiques : « si les métaux lourds ont fait la civilisation, ils peuvent aussi la défaire ». Il est donc aujourd'hui indispensable non seulement de mieux connaître les effets de ces polluants sur les organismes vivants, mais aussi de mettre en œuvre des solutions durables, visant à limiter leurs risques. Dans ce contexte, les plantes représentent un objet d'étude intéressant. En effet, celles-ci, directement confrontées aux composés toxiques du milieu, pourraient non seulement être utilisées en tant que marqueurs de la toxicité du milieu, mais aussi en tant qu'outil de stabilisation des polluants. Cependant, à l'heure actuelle, les données concernant l'influence des métaux lourds sur les communautés végétales soumises à une exposition chronique de polluants, de même que le rôle des plantes sur le devenir des métaux, sont encore insuffisantes. Il est donc nécessaire de poursuivre les recherches dans ce domaine afin de mieux comprendre les modalités des interactions entre les plantes et les milieux pollués et de trouver de nouvelles espèces utilisables dans des programmes de phytoremédiation.
Pour répondre à cet objectif, l'étude des populations végétales naturelles de trois crassiers métallurgiques de la région Rhône-Alpes a été réalisée. Malgré de fortes teneurs en métaux lourds, les relevés réalisés ont permis de répertorier un peu plus de 200 espèces de plantes supérieures appartenant à une cinquantaine de familles botaniques. Par ailleurs, l'utilisation d'une méthode chimique normalisée a montré que la fraction métallique “phytodisponible” était importante. Par opposition, l'analyse des concentrations foliaires n'a pas permis de mettre en évidence une accumulation métallique supérieure à celle retrouvée dans une plante référence. Par conséquent, le risque de transfert des polluants métalliques apparaît limité. L'analyse des relevés phytosociologique a cependant révélé que le substrat influence l'organisation de groupements végétaux inédits, qui pourraient être utiles pour désigner la végétation la plus adaptée pour un programme de phytoremédiation. Au sein de ces groupements, une espèce abondante, Plantago arenaria Waldst. & Kit. a montré de bonnes capacités de tolérance vis-à-vis de différents métaux lourds, en particulier pour le cadmium. Il s'est avéré que la tolérance de cette espèce est un caratère constitutif pour le Cd et le Ni et un caractère adaptatif pour le Cu. Cette bonne tolérance constitutive pourrait être une caractéristique des plantes pionnières et résistantes à la sécheresse. Chez cette espèce, les mécanismes de résistance au cadmium semblent impliquer une activation du système anti-oxydant racinaire et une limitation de la translocation.
La suite possible de ce travail pourrait consister à orienter les recherches vers les mécanismes complémentaires de la résistance aux métaux lourds chez P. arenaria et notamment en ce qui concerne les phénomènes de chélation intracellulaire. D'autre part, il serait intéressant de procéder aux premiers tests de recolonisation en conditions réelles.
Pour répondre à cet objectif, l'étude des populations végétales naturelles de trois crassiers métallurgiques de la région Rhône-Alpes a été réalisée. Malgré de fortes teneurs en métaux lourds, les relevés réalisés ont permis de répertorier un peu plus de 200 espèces de plantes supérieures appartenant à une cinquantaine de familles botaniques. Par ailleurs, l'utilisation d'une méthode chimique normalisée a montré que la fraction métallique “phytodisponible” était importante. Par opposition, l'analyse des concentrations foliaires n'a pas permis de mettre en évidence une accumulation métallique supérieure à celle retrouvée dans une plante référence. Par conséquent, le risque de transfert des polluants métalliques apparaît limité. L'analyse des relevés phytosociologique a cependant révélé que le substrat influence l'organisation de groupements végétaux inédits, qui pourraient être utiles pour désigner la végétation la plus adaptée pour un programme de phytoremédiation. Au sein de ces groupements, une espèce abondante, Plantago arenaria Waldst. & Kit. a montré de bonnes capacités de tolérance vis-à-vis de différents métaux lourds, en particulier pour le cadmium. Il s'est avéré que la tolérance de cette espèce est un caratère constitutif pour le Cd et le Ni et un caractère adaptatif pour le Cu. Cette bonne tolérance constitutive pourrait être une caractéristique des plantes pionnières et résistantes à la sécheresse. Chez cette espèce, les mécanismes de résistance au cadmium semblent impliquer une activation du système anti-oxydant racinaire et une limitation de la translocation.
La suite possible de ce travail pourrait consister à orienter les recherches vers les mécanismes complémentaires de la résistance aux métaux lourds chez P. arenaria et notamment en ce qui concerne les phénomènes de chélation intracellulaire. D'autre part, il serait intéressant de procéder aux premiers tests de recolonisation en conditions réelles.
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