Les plantes peuvent absorber les métaux lourds présents dans leur environnement, tels que le plomb, le cadmium, le zinc, le cuivre, etc. L'absorption des métaux lourds par les plantes se fait principalement par les racines

1. Phytoremédiation
Une « technologie verte » pour la
dépollution
Antoine Gravot
Cours M1 Biotechnologies Végétales Septembre 2007

2.  Problème technologique : Mise au point de
méthodes de dépollution efficaces et
économiquement viables
 Problématique scientifique : Comportement
des végétaux confrontés à des composés
toxiques

3. Mise en perspective: exemples de
techniques de remédiation des sols
 Excavation et traitement hors site (400 000t)
 Incinération
 Enfouissement
 Hydrocarbures : Traitement biologique en centre collectif
 Excavation et traitement sur site (400 000t)
 Hydrocarbures volatils : désorption thermique
 Hydrocarbures et métaux : Lavage, Biotertres
 Traitement in-situ sans excavation (450 000t)
 Confinement
 Bioaugmentation, Ventilation forcée
 Phytoremédiation
Volumes traités en France (source :
ADEME http://www2.ademe.fr)

4. Problème :
Sols pollués
Eaux polluées
Excavation
+
désorption
thermique

5. Problème :
Sols pollués
Eaux polluées
Excavation
+
désorption
thermique
Phytoremédiation
Coût / Efficacité
En general 10 fois
moins cher
Valeur ajoutée
paysagère

6. Définition
 Phytoremédiation = Utilisation de végétaux et
de leurs microorganismes associés pour la
dépollution de l’environnement
Dégradation et séquestration des
polluants organiques et
inorganiques

7. Aspects historiques
 Phytoremédiation de l’eau :
 Construction de zones humides artificielles épuratoires
 1901 : 275 ha de zones humides construites à San Antonio
(Texas)
 1950 études plus approfondies
 1960 : lagunes à hauts rendements
 Phytoremediation des sols
 Ecole Russe du début du siècle  métaux lourds
 1980-1990 : vaste programme de phytorecultivation sur > 1
millions d’ha
 École américaine

8. Aspects historiques
 Années 90
 Quelques pionniers dont Ilya Raskin développent le
concept de phytoextraction
 1994 : premier brevet (Phytotech Inc)
 Procédé d’extraction des ions métalliques du sol basé sur
la croissance de plantes cultivées de la famille des
Brassicacées sur des sols contaminés par des métaux.
 Absorption racinaire
 Exportation foliaire  récolte

9. 10 ans de R&D après…
 2000 : Premier guide de la phytoremédiation
publié par l’agence nationale de l’environnement
des USA
 Programme COST 837 en Europe

10. Champs d’application
 Préventif :
 Végétalisation de décharges
 Traitement des effluents industriels et de stations
d’épuration
 Zones tampons
 Curatif
 Accidents industriels
 Friches industrielles
 Activités minières
 Pétrochimie et Agrochimie
 Sols agricoles
 Site militaires

11. Végétalisation de décharges
Source : http://www.ecolotree.com

12. Stations d’épuration
 Traitement en aval : irrigation de zones
humides artificielles ou de taillis à rotation
courte par des effluents de station (suède)
http://www.fao.org/docrep/008/a0026f/a0026f11.htm
I. Dimitriou et P. Aronsson

13. Accidents industriels
Pollution accidentelle dans le
Wisconsin : hydrocarbures,
HAP et organochlorés
Source : http://www.ecolotree.com

14. Friches industrielles
Cokerie d’Homécourt (Lorraine, Arcelor)
Métaux
lourds
Hydrocarbures
aromatiques
polycycliques (HAP)

15. Aspects techniques essentiels
associés à la phytoremédiation

16. Typologie des techniques
 Polluants inorganiques et organiques
 Phytoextraction
 Phytovolatilisation
 Phytostabilisation
 Rhizofiltration

17. Phytoextraction
 Transfert des polluants vers
les parties aériennes:
 Niveau de bioaccumulation ?
 Niveau de translocation ?
 Récolte
 Confinement ou recyclage
Pilon-Smits 2005 Annu
Rev Plant Biol
Phytomining
Moutarde brune /
cadmium :
•Feuilles 1000
•Racines 6000

18. Phytovolatilisation
Pilon-Smits 2005 Annu
Rev Plant Biol
 Transfert des polluants
vers les parties
aériennes
 Volatilisation et dilution
dans l’atmosphère
Composés volatils :
•Hg, dérivés du Se
•TCE

19. Phytostabilisation
 Prévention :
 Infiltrations
 Flux horizontaux
 Érosion
 Conversion en formes
moins biodisponibles
 Précipitation
 Adsorption racinaire
Pb2+ et Cr3+ Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol

20. Rhizofiltration
 Extraction des polluants en milieu aqueux
Effluents
industriels
Pilon-Smits 2005 Annu
Rev Plant Biol

21. Filtration de l’arsenic par des fougères
Elles et al. 2005 Water Research
Coût : adapté pour des faibles
volumes fortement contaminés

22. Construction de zones humides
artificielles filtrantes
 Se
 Nitrate, phosphate, herbicides
http://www.rpdc.tas.gov.au/soer/image/280/index.php
Site de la TEMCO

23. Typologie des techniques
 Dégradation des polluants organiques
 Phytodégradation
 Rhizostimulation ou Phytostimulation

24. Dégradation des composés organiques
 Phytodégradation
 Dégradation des composés par le métabolisme de
la plante
 Phytostimulation
 Stimulation de la flore du sol capable de dégrader
les composés organiques
Composés très hydrophobes :
• PCBs (Polychlorinated Biphényls)
•HAP (Hydrocarbures aromatiques polycycliques)
Composés moyennement hydrophobes:
• TNT et TCE

25. Plante = végétal + microorganismes
associés
 10-20% des photosynthétats  exsudats racinaires
 Densité microbienne augmentée de plusieurs ordres
de grandeur à 1mm
Inoculation

26. Des mécanismes additifs…
Pilon-Smits 2005 Annu Rev Plant Biol
Éventuellement en
association avec
de la remédiation
classique

27. Choix des espèces utilisées en
phytoremédiation
Critères :
Adaptation au milieu
Biomasse et vitesse de croissance
Tolérance aux polluants
Capacités d’accumulation ou de dégradation des polluants

28. Espèces classiques en zones humides
Spartine
Lentille
d’eau
Jacinthe
d’eau

29. Espèces classiques pour la dépollution des
sols ou des eaux souterraines
Peuplier Brassica juncea : la
moutarde brune

30. Les plantes hyperaccumulatrices
Alyssum bertolonii
> 1 % Nickel

31. Les plantes hyperaccumulatrices
Thlaspi caerulescens
Arabidopsis halleri
> 1 % Zn et
0.1% Cd
Astragalus bisulcatus
> 1 % Selenium

32. Facteurs physiologiques généralement
responsables de l’hyperaccumulation
 Séquestration chimique
 Glutathion, phytochélatines, histidine
 Séquestration subcellulaire
 Compartimentation vacuolaire
 Compartimentation tissulaire
 Translocation racines / feuilles
 Accumulation dans les trichomes
 Tolérance au stress oxydatif
 « Insensibilité biochimique » aux métaux lourds
 Cysteinyl-tRNA synthétase d’Astragalus bisulcatus

34. Phytoextraction continue
Phase de prélèvement
de métaux
Phase de croissance Récolte
D’après Salt, Smith et
Raskin 1998 Annu. Rev.
Plant Physiol. Plant Mol.
Biol. 49:643–68
Implique des
espèces :
Tolérantes
Accumulatrices

35. Phytoextraction induite
Ajout des
chélatants
Phase de
prélèvement de
métaux
Phase de
croissance
Récolte
D’après Salt, Smith et Raskin
1998 Annu. Rev. Plant Physiol.
Plant Mol. Biol. 49:643–68

36. Un exemple de chélatant : l’EDTA
Attention à la
percolation !!

37. Compromis biomasse / accumulation
Biomasse X Teneur Rendement d’extraction
Thlaspi+
EDTA
Moutarde +
EDTA
10 t / ha 500 mg / kg 5 kg / ha
25 000 mg / kg
5 t / ha 125 kg / ha
Sol contaminé
en Zn + Cd
Conclusions différentes en fonction du
couple espèce / pollution et des contraintes
agronomiques

38. Principaux polluants
concernés
Polluants inorganiques
Polluants organiques

39. Polluants inorganiques
 Macroéléments
 Métaux lourds et ETM
 Radionucléides

40. Pollutions par des macroéléments

41. Pollutions inorganiques
 Métaux lourds et éléments traces métalliques
(ETM)

42. Comment définir les métaux lourds ?
Masse volumique > 5 g / cm-3

43. « Métaux lourds » au sens large
« Éléments traces »
automobiles
Traitement de surfaces
Traitement du bois
Engrais
Batteries
Source naturelle +
irriguation
Tanneries
Orpaillage

44. Amont de Troyes Aval de Troyes
Analyse de métaux lourds dans les sédiments
associés à la seine en amont et en aval de Troyes
Pb

45. Plomb
 Polluant métallique le plus courant
 Ex: site de Metaleurop à Noyelles Godault :
500 ppm sur 500 ha
 Faiblement biodisponible  utilisation
nécessaire de chélatants

47. Arsenic
 Sources :
 Ancien fongicide (vert de Paris)
 Traitement du bois : Chrome Cuivre Arsenic
 Phytoremédiation : Pteris vittata
 Mécanismes de tolérance :
 Réduction de l’arsenate en arsenite
 Translocation vers les parties aériennes
 Stockage vacuolaire

48. Ma et al. Nature (2001) 409: 579
Concentrations en arsenic dans les tissus de Pteris
vittata cultivées sur un sol contenant 97 ppm d’arsenic

49. Nickel :
Rôle de l’histidine
dans
l’hypertolérance
Krämer et al. (1996) Nature 379, 635 - 638

50. Radionucléides
 238U, 137Cs, 90Sr..
Essais de rhizofiltration de
137Cs et 90Sr à Tchernobyl
Cooney, C.M., 1996, Sunflowers Remove
Radionuclides from Water in Ongoing
Phytoremediation Field Tests, Environmental
Science and Technology, 30 (5), pp.194A.

51. Composés organiques
 Hydrocarbures dont HAP
 Organochlorés
 Solvants : TCE
 Insecticides : DDT
 PCB (pyralènes), PCDD (dioxines), PCDF (furanes)
 Explosifs
 TNT, RDX
 Herbicides
 Atrazine

52. Hydrocarbures aromatiques polycycliques
(HAP)
Log Kow
Cœfficient de
partage
octanol/eau

53. Cellule 8 non-
plantée
Phytodégradation du TCE
par des peupliers
Gordon et al. 1996 Environmental Health
Perspectives. 106: 1001-1004.

54. Approches transgéniques

55. Augmentation de la tolérance
au cadmium
Surexpression de la -ECS chez Brassica
juncea

56. Problématique
 Si synthèse de phytochélatines, la - ECS est
limitante pour la synthèse de glutathion
Surexpression
de la -ECS
chez Brassica
juncea

57. Phénotype des transformants
Zhu et al. 1999 Plant Physiology

58. Augmentation de la translocation
de Cd vers les parties aériennes
Caractérisation fonctionnelle et
surexpression d’une P-ATPase chez
Arabidopsis
ATP
ADP P
ATP
ADP P

59. Cd2+
biodisponible
Canaux et transporteurs
calciques
Transporteurs de Fe
Problème :
translocation<50%
Cd chélaté,
séquestré

60. Identification de transporteurs potentiellement
intéressants pour la phytoremédiation
Arbre phylogénétique
des P-ATPases
d’Arabidopsis thaliana

61. Adressage membranaire d’AtHMA4
Verret et al. FEBS 2004
Témoin GFP
soluble
HMA4::GFP

62. Expression tissulaire d’AtHMA4
Verret et al. FEBS 2004

63. Phénotype du surexpresseur d’HMA4
Col-0 HMA4ox
Cd 40µM
Verret et al. FEBS 2004

64. Translocation des métaux chez le
surexpresseur d’HMA4
Verret el al. 2004 FEBS

65. Stimulation de la séquestration
vacuolaire de métaux lourds
Expression du transporteur YCF1 de la
levure chez Arabidopsis thaliana

66. Identification d’un facteur de tolérance au
cadmium chez la levure: YCF1
Song et al. (2003) Nature Biotechnology 21 (8): 914-919

67. Confirmation de l’adressage vacuolaire de
YCF1 exprimé chez Arabidopsis
Song et al. (2003) Nature Biotechnology 21 (8): 914-919

68. Amélioration de la tolérance et de
l’accumulation chez les surexpresseurs
Song et al. (2003) Nature Biotechnology 21 (8): 914-919

69. Phytovolatilisation du mercure par
une plante exprimant un gène
bactérien
MerA (mercurate réductase)

70. Problématique
 Sources:
 Feux de forêt, activité volcanique
 Combustion du charbon, orpaillage, industries
diverses
 Le Hg(II) n’est pas volatil
 La conversion du Hg(II) en Hg(0) est réalisée
par une enzyme bactérienne
 Rendement trop faibles pour une application
Expression de merA dans une
plante

71. Liriodendron tulipifera (Magnoliaceae)

72. Criblage des cals exprimant MerA
Rugh et al. 1998
Nature

73. Criblage des cals résistant au Hg(II)
Rugh et al. 1998
Nature
Biotechnology

74. Phénotype du transformant :
volatilisation du Hg(0)
Rugh et al. 1998
Nature

75. Mercure
 Problème : conversion en méthylmercure
 Phytoremédiation
 Approche transgénique :
 déméthylation du mercure (gène merB)
 Réduction du Hg(II) en Hg(0) (gène merA) 
volatilisation

76. Quelques exemples pour les composés
organiques
 Favoriser la phytodégradation
 Expression de gènes de mammifères (P450 
TCE) ou de bactéries (TNT)
 Favoriser la rhizostimulation
 Endosymbiose avec une souche bacterienne
transformée

77. Phytodégradation du TNT par une
plante exprimant une
nitroréductase bactérienne
Hannink et al. 2001 Nature Biotech

78. Problématique
 Les plantes sont capables de dégrader le
TNT mais avec une efficacité faible
 croissance fortement réduite
 La nitroréductase de Enterobacter cloacae
est efficace pour la dégradation du TNT
Expression de la NR dans le
tabac

79. Phénotype des transformants
TNT 0.05 mM TNT 0.1 mM
témoin
Hannink et al. 2001
Nature Biotech

80. TNT résiduel dans les tissus
Hannink et al. 2001
Nature Biotech

81. Explosifs
RDX TNT

82. Effet de la surexpression chez une plante d’un
cytochrome P450 bactérien capable de dégrader le RDX

83. Conclusions
 Pour les métaux lourds : recherche de facteurs
génétiques le plus souvent d’origine végétale
 Pour le catabolisme des composés organiques :
gènes d’origines plus diverses
 Connaissances émergentes sur les mécanismes
moléculaires susceptibles d’être manipulés par
génie génétique pour améliorer les génotypes
 De très gros efforts de recherche qui commencent à
déboucher sur des applications intéressantes

84. Aspects économiques et
industriels

85. Aspects financiers
 Aspects financiers de l’aide à la décision
 Prédiagnostic: 2300 euros
 Diagnostic : 30 000 euros
 Étude de faisabilité : 75 000 euros
Source : ADEME

86. Entreprises de phytoremédiation
 France
 Phytorestaure
 USA
 Ecolotree
 Treemediation
 Edenspace System Corporation  arsenic
 Phytokinetics  architecture racinaire
 Applied Phytogenetics  transgenèse et
remédiation du méthylmercure