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Résumé du projet de thèse

par HECKENROTH Alma - 4 octobre 2016

Evaluation des méthodes de phytoremédiation adaptées à la restauration écologique d’une friche industrielle incluse le parc national des Calanques.

Sur le site de la friche industrielle de l’Escalette à Marseille, zone cœur du parc national des Calanques (PNCal), scientifiques, gestionnaires et praticiens travaillent de pair pour développer des alternatives aux techniques conventionnelles de gestion de la pollution du sol. La particularité de ce site est d’abriter une biodiversité riche façonnée par le climat et la pression anthropique de la grande cité voisine depuis l’époque gréco-romaine et menacée par la pollution en éléments traces métalliques et métalloïdes (ETMM) liée aux activités industrielles du 19ème siècle. En parallèle d’une action publique de gestion des déchets industriels (scories) sur la zone littorale du PNCal, une réflexion est menée sur la gestion de la pollution diffuse sur ce territoire. Les objectifs de cette thèse visent à la fois la conservation de la biodiversité locale, l’optimisation des fonctionnalités en place qui permettent la réduction des transferts des ETMM, la restauration écologique de ces sites par la refonctionnalisation des sols et, de façon plus globale, le développement d’écotechnologies pour la restauration des sols contaminés dans un contexte méditerranéen. Pour répondre aux objectifs de gestion de la pollution diffuse au sein du PNCal et de conservation de la biodiversité, et dans le cadre de deux projets de recherche transdisciplinaires successifs (Marséco 2008-2013 et SynterCalm 2014-2016), les travaux de thèse basés sur des écotechnologies ont été menés selon 3 axes complémentaires :
- la caractérisation des communautés végétales locales dans le contexte d’une forte pollution en ETMM et la sélection de plantes natives à potentiel de phytoremédiation ;
- l’évaluation de l’effet de l’hétérogénéité de la contamination sur les mécanismes de tolérance de Coronilla juncea et Globularia alypum et leurs microorganismes associés et les implications sur le potentiel de phytostabilisation ;
- le développement d’outils d’ingénierie écologique pour la restauration écologique des zones naturelles contaminées en ETMM. 

Axe 1 : A l’aide d’une méthodologie non destructive, la composition et la structure des communautés végétales natives et spontanées ont été étudiées sur deux zones polluées correspondant à des contextes environnementaux différents, en fonction de la contamination du sol de surface et de paramètres phytoécologiques déterminants. Les résultats indiquent que la pression produite par un siècle de contamination en ETMM a affecté de façon significative les communautés végétales en terme de composition, diversité et structure, sous la forme d’une cooccurrence de différents stades de successions végétales. Les preferendum écologiques des plantes natives ont été mis en évidence dans le contexte d’un gradient de contamination en ETMM. En prenant en compte les traits de vie des plantes, cette approche a abouti en la sélection de plantes natives à potentiel de phytoremédiation qui présentent une tolérance à de fortes concentrations d’ETMM sur les zones d’étude. Cette méthodologie a également permis de déterminer des zones d’intervention prioritaires, en se basant sur les indices de charge polluante calculés à partir des concentrations en ETMM des éléments d’origine industrielle.
Voir : Heckenroth et al., 2016. Selection of native plants with phytoremediation potential for highly contaminated Mediterranean soil restoration : Tools for a non-destructive and integrative approach. J. Environ. Manage.

Axe 2 : Dans un deuxième temps, les expérimentations in situ ont permis d’évaluer la réponse à l’hétérogénéité de la contamination en ETMM de surface et en profondeur de deux espèces pérennes natives : Coronilla juncea et Globularia alypum. Les intéractions sol-plantes-microorganismes de la zone rhizosphérique ont été évaluées à partir de l’analyse des ETMM des sols et des plantes, des paramètres physico-chimiques et biologiques des sols ainsi que la détermination des structures symbiotiques racinaires : nodules, champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) et endophytes septés foncés (DSE). Les résultats mettent en évidence la tolérance de ces deux plantes à de fortes concentrations d’ETMM dans les sols vraisemblablement lié à la présence de symbioses racinaires. Cette tolérance s’exprime également sous la forme de restrictions de transfert corrélées aux concentrations en ETMM et confirment ainsi le potentiel de phytostabilisation de ces plantes natives dans un contexte de contamination mixte en ETMM. Une expérimentation ex situ complémentaire a permis de réaliser des tests de lixiviations des ETMM, à partir d’échantillons de sol prélevés sur une zone fortement contaminée, et d’évaluer l’influence de la présence des microorganismes natifs dans la réduction des transferts de contaminants.

Axe 3 : Enfin, la collaboration initiée en 2013 avec le lycée agricole des Calanques (LPA) a permis de réaliser des travaux de multiplication des plantes natives, à partir de propagules collectées sur les sites contaminés, et de mettre au point des outils d’ingénierie écologiques adaptés à la restauration écologique des milieux contaminés. Dans un premier temps, ces outils ont été testés dans les conditions de terrain dans le cadre d’une expérience de renforcement des populations de C. juncea, dont des individus avaient été prélevés dans le cadre de la thèse. Ainsi, 60 transplantations ont été réalisées sur 3 sites (témoin, contamination moyenne et contamination forte en ETMM). Les méthodes utilisées visent à favoriser l’établissement des plants dans un contexte méditerranéen et consistent notamment à créer des microsites favorables à partir de matériaux présents sur place et d’amendements organiques produits localement, dans une démarche agroécologique. Les premiers résultats ont montré un taux de survie des individus compris en 65 % et 85 % en fonction des conditions d’expérience. A partir des résultats préliminaires obtenus dans le cadre de ces transplantations, et de la sélection de plantes natives à potentiel de phytoremédiation réalisée préalablement, des essais de restauration écologiques ont été mis en place en novembre 2015. Au total, 12 espèces multipliées hors site par le LPA ont été transplantées dans le cadre des essais pilote de restauration écologique in situ sur une zone considérée comme le hotspot de contamination en ETMM en milieu naturel. Le protocole expérimental permet de tester en conditions réelles, à la fois la capacité des plantes sélectionnées à s’établir sur une zone fortement contaminée, l’utilisation de plusieurs assemblages d’espèces et les effets des interactions interspécifiques sur le développement des plantes, ainsi que leurs implications sur l’efficacité de fixation des ETMM par la phytostabilisation. Chaque parcelle a été constituée de deux bandes plantées par un mélange d’espèces végétales, pour un total de 24 individus (12 individus/bande). Le niveau amont a été planté par des espèces a priori identifiées comme tolérantes à de fortes concentrations en ETMM et certaines phytostabilisatrices précédemment sélectionnées. Le niveau aval a été planté par des espèces dont certaines sont moins tolérantes aux ETMM mais correspondent à des espèces typiques de l’écosystème cible de la restauration. Ainsi, un objectif supplémentaire de cette expérience in situ est d’évaluer si des plantes tolérantes aux ETMM et phytostabilisatrices peuvent constituer une sorte de filtre permettant de retenir les polluants pour favoriser le développement des communautés végétales cibles.

Cette thèse ouvre des perspectives quant à l’évaluation du potentiel de communautés végétales natives méditerranéennes pour l’amélioration de la qualité des sols contaminés par les ETMM en terme de fonctions, structure et biodiversité. Le suivi des expérimentations pilotes de restauration écologique permettra également d’évaluer l’efficacité de la phytostabilisation des ETMM liées à la refonctionnalisation des sols, aux dynamiques de végétation dans les garrigues et aux règles d’assemblage des plantes natives. De façon plus globale, ces travaux de recherche visent au développement des écotechnologies sur les sites contaminés en Méditerranée. En collaboration avec des juristes spécialisés dans le droit des sols, ils ont également pour objectif le développement d’alternatives légales aux méthodes conventionnelles de gestion des sites et sols pollués au niveau national et international, prenant en compte la qualité des sols et basées sur les concepts de l’écologie de la restauration.