Ce sujet de recherche vise à développer une stratégie de la bio remédiation pour réduire les charges en polluants dans les écosystèmes aquatiques du type zones humides, en tant que question d’actualité en ingénierie écologique. L’efficacité des processus de phytoremédiation a été largement démontrée par des applications individuelles sur le sol et sédiments. Cette thèse a pour objectif de promouvoir la réduction de polluants des sédiments aquatiques en combinant le processus de bioturbation avec la phytoremédiation. Cette stratégie est testée en conditions de laboratoire expérimentale à l’aide d'une série de microcosmes reproduisant chacun une portion d’interface eau/ sédiments similaire aux conditions en zones humides. Dans nos expériences, la bioturbation est réalisée par une population d’oligochètes Tubificidae bien connu comme un ingénieur écologique. La phytoremédiation associée est effectuée par une plante aquatique Typha latifolia connue pour sa capacité à éliminer les polluants organiques et inorganiques des sédiments par l'accumulation dans leur biomasse. L’influence de cette biodiversité sur les flux et bilan de masse de polluants modèle, a été démontré à l’aide de 2 expériences de laboratoire mettant en oeuvre des séries de microcosmes contaminées avec du Cadmium en tant que métal trace avec une concentration initiale de 20 µg.L-1, dans l’eau surnageante, et de l’atrazine marquée avec une concentration de 5 µg.g-1 de sédiment frais en tant que micropolluant organique persistant et herbicide. Les résultats de ces expériences démontrent que le bio-transport créée par la population de tubificidae ainsi que la bioremédiation sont toujours actives en présence de contamination ce qui confirme leur potentiel en ingénierie écologique. La bioadvection du sédiment et des contaminants par les tubificidae est quantifiée grâce à l’utilisation de luminophores (traceurs particulaires). Le processus de bioconvoyage engendre l’ensevelissement et le renouvellement de la quantité de polluant autour du système racinaires des Typha latifolia, et des coefficients d’enrichissement des racines (ECR) plus élevés ont été mesurés en présence de bioturbation. L’interaction entre l’activité des tubificidés et la contamination par le Cd influence le bilan de masse du cadmium. Les flux de métaux du sédiment vers les racines sont estimés de l’ordre de 0.02+/-0.00 et 0.07+/-0.03 µg Cd par jour sans et avec bioturbation, respectivement. Dans le cas de l’atrazine, l’influence de la bioturbation sur les propriétés chimiques du sédiment (pH, porosité, matière organique,..) explique les modifications observées au niveau du processus d’adsorption-désorption de l’atrazine. Il est démontré que la bioturbation par la population de tubificidae mise en oeuvre accélère la mobilité de l’atrazine et favorise sa biodisponibilité en passant de la forme adsorbée sur les particules de sédiment vers la forme libre dans l’eau interstitielle. Les coefficients d’enrichissement de l’atrazine sont plus élevés en présence de bioturbation (7.16 ± 0.66 dans {Atr.Typ.Tub}) que sans bioturbation (5.99 ± 0.64 dans {Atr.Typ}). La biodégradation de l’atrazine est significativement plus avancée en présence de bioturbation comme le démontre un nombre plus élevé de métabolites, et une quantité de métabolites plus importante dans les racines Typha latifolia.
Notre étude démontre le potentiel apporté par la bioturbation comme facteur d’amélioration des performances de la phytoremédiation, pour un métal comme pour un micro-polluant organique. Les recherches futures sur la base de ces résultats devraient s'intéresser à mettre en évidence l’influence de la bioturbation sur les communautés de micro-organismes en charge de la dégradation des composés organiques persistants. |
The development of efficient bioremediation techniques to reduce pollutant loads in aquatic ecosystems is a challenging research question for ecological engineering. The accuracy of phytoremediation processes has been largely demonstrated by individual applications on soil or water. The present Ph.D. aims to promote a bioremediation strategy for aquatic sediments based on the combination of bioturbation and phytoremediation processes. These strategy benefits are tested in controlled laboratory conditions under a series of microcosms reproducing each a portion of water/sediment interface such as in wetland areas. In our experiments, bioturbation was carried out by a conveyor-belt invertebrate, the Tubificidae Oligochaetes Tubifex tubifex, well known as an active ecological engineer. The phytoremediation was conducted by the riparian plant Typha latifolia known for its ability to remove organic and inorganic pollutants from sediments by accumulation into its biomass. The experiments were managed to demonstrate the effects of this biodiversity on the mass balances and fluxes of one metal and on pesticide as models of molecules. Cadmium as metal model and an inorganic pollutant contaminated of the water-sediment interface of wetlands and reservoirs and atrazine as an organic micropollutant and herbicide stored in aquatic sediment. The pesticide was labeled with 14C radioactivity. Fluxes from water to sediment, and from sediment to plants were assessed in experimental conditions with several treatments allowing to demonstrate the effects of biodiversity.
Our results indicated that the tubificids and the complete bioremediation strategies are still efficient under cadmium and atrazine contaminations in aquatic systems. The cadmium concentration was 20 µg.L-1 in the overlying water as an initial source of metal contamination and 5 µg.g-1 of fresh sediment of atrazine was mixed in the whole sediment column at the initial time of the second experimentsediment, respectively. Biotransport due to tubificid worms changed the distribution of cadmium across the sediment column and enhanced the pumping of cadmium from the surface to the anoxic sediment layers, surrounding the plant root, thereby increasing the bioaccumulation of cadmium in the root system of Typha latifolia. The worms bioaccumulation is influencing the cadmium mass balance in addition of the plant uptake. Combining Cd contamination and worm’s bioturbation optimized roots enrichment (ECR) and the transport of the metal (flux) from sediment to plants with fluxes estimated to 0.02+/-0.00 and 0.07+/-0.03 µg Cd per day without and with bioturbation respectively. In the case of atrazine contamination, bioturbation influence of the chemical properties of sediment (pH, porosity, Organic matter) is explaining the adsorption-desorption behavior of atrazine in sediment, resulting in acceleration of atrazine mobility and bioavailability of the pesticide that pass from attached forms onto sediment particles into a free fraction in pore water in the sediment column under bioturbation. Higher values of the atrazine bioaccumulation in the roots system (ECs) found with bioturbation with of 7.16 ± 0.66 (in the {Atr.Typ.Tub} treatment) compared to 5.99 ± 0.64 in the {Atr.Typ} treatment. Metabolization of the pesticides was also significantly enhanced with bioturbation as demonstrated by enhanced number and quantity of metabolites in Typha latifolia roots.
Our study, therefore, highlights the potential of bioturbation as a tool to be considered in the complement of the phytoextraction for integrated bioremediation strategies of metallic and organic polluted sediment in aquatic ecosystems. Further researches need to take into account the bioturbation influence on the microorganism communities in the relationship with organic compounds degradation. |