HIVER
2006

Vol. 3 No. 1

Dossier | Nature en ville

Des plantes pour des sols propres

Par Michel Labrecque et Rosalie Lefebvre

Institut de recherche en biologie végétale

Les bénéfices que nous procurent les plantes sont nombreux. Elles nous fournissent des aliments, des matériaux pour la construction, des médicaments pour se soigner. Par la photosynthèse, elles produisent de l’oxygène et déchargent l’atmosphère du gaz carbonique. Mais d’autres vertus ont été identifiées plus récemment et pourraient constituer des outils fort utiles pour décontaminer les eaux ou les sols pollués par les activités humaines.

La phytoremédiation constitue une technologie nouvelle qui exploite le potentiel des végétaux pour absorber ou rendre moins dangereuses les substances polluantes de sites contaminés. Les mécanismes qui confèrent aux plantes des habiletés pour absorber ou dégrader des polluants sont encore mal connus. Ainsi, on ne trouve encore que très peu d’exemples d’utilisation de la phytoremédiation sur une base opérationnelle, mais nul doute que cette approche pourrait devenir un outil extraordinaire, tout à fait respectueux de la philosophie du développement durable.

Nombreuses sont les activités industrielles qui, dans notre environnement, contribuent à la contamination des sols. L’exploitation minière, les industries chimiques et pétrochimiques ne sont que quelques exemples d’activités qui, trop souvent, entraînent une dégradation de l’environnement. Dans les milieux urbains, de nombreux quartiers qui autrefois avaient des vocations industrielles, constituent aujourd’hui des lieux que l’on cherche à réhabiliter en zones résidentielles ou récréatives. Malheureusement, la charge en polluants dans les sols freine souvent ces initiatives [pour un exemple voir l'article de ce dossier De l'industrialisation à la revitalisation....].

Voir l'Encadré 1 – Qu’est-ce qu’un sol contaminé?

Au Québec, le ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs a élaboré un règlement sur la protection et la réhabilitation des terrains, qui donne des balises à respecter en fonction des usages prévus pour les sites concernés (agriculture, résidentiel, récréatif, commercial, industriel). Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour assainir un site. Les techniques conventionnelles consistent le plus souvent à excaver et à transporter le sol pollué vers un site d’enfouissement. En plus de se contenter de déplacer le problème, cette façon de faire présente des risques supplémentaires pour l’environnement, qui se produisent tant lors du transport du sol contaminé qu’après l’enfouissement, alors que les polluants peuvent migrer dans le sol et se répandre dans l’environnement. Cette procédure est également extrêmement coûteuse, de l’ordre du million de dollars par acre et génère de nombreuses controverses et réticences associées au phénomène « pas dans ma cour »!

Fréquemment, les coûts de décontamination seront jugés trop onéreux par rapport au bénéfice engendré. Il en résulte que des milliers d’hectares à l’échelle du pays demeurent sans avenir et sans vocation précise en raison des erreurs ou de la négligence qui ont été commises par le passé.

D’autres solutions doivent être mises au point afin d’offrir la possibilité de traiter ces sites à moindres coûts. Des techniques douces de bioremédiation faisant appel à des végétaux ou des micro-organismes peuvent, dans ces circonstances, être envisagées.

Qu’est-ce que la phytoremédiation ?

Les plantes vasculaires sont apparues sur Terre il y a environ 400 millions d’années. Dès lors, ces organismes ont développé des mécanismes d’adaptation nécessaires pour survivre aux conditions difficiles des différents milieux présents sur notre planète. Par exemple, certaines plantes spécialisées peuvent accumuler des métaux dans leurs tissus. Ainsi, plusieurs techniques de pointe ont été développées au cours des dernières années en misant sur cette capacité qu’ont certains végétaux à emmagasiner des contaminants dans leurs tissus, particulièrement des métaux et métalloïdes (ex. : cuivre, arsenic, cadmium). On définit la phytoremédiation comme une technique qui utilise des végétaux et les micro-organismes qui leur sont associés pour éliminer, contenir ou rendre moins toxiques les contaminants environnementaux.

Plusieurs mécanismes sous-tendent le concept de phytoremédiation. Ainsi, il est possible de catégoriser plusieurs types d’interventions de phytoremédiation selon les propriétés physiologiques des végétaux et celles des milieux à décontaminer.

Ainsi, la phytoextraction compte sur la formation d’un continuum sol-plante-atmosphère, où une substance passe du sol aux racines pour être ensuite transférée aux parties aériennes (tiges, feuilles, etc.). La récolte de ces parties aériennes permet de décharger progressivement le sol de ses contaminants. Ce moyen offre plusieurs avantages : les coûts d’opération sont minimes et les métaux récupérés peuvent être recyclés, fournissant un bénéfice secondaire. De plus, cette solution non destructive peut être utilisée sur une longue période, permettant le nettoyage d’un site tout en respectant son intégrité écologique et en fournissant un couvert végétal apprécié de la population en général. Cependant, pour que la phytoextraction soit effective, certaines caractéristiques sont essentielles et doivent être présentes parmi les végétaux utilisés : croissance rapide, production élevée de biomasse, réseau racinaire dense et tolérance aux contaminants. Évidemment, la phytoextraction ne fait pas disparaître les métaux contaminants, mais elle permet de traiter ainsi quelques kilos de branches ou de feuilles plutôt que des tonnes et des tonnes de terre contaminée.

L’équipe de l’Institut de recherche en biologie végétale (IRBV), en collaboration avec plusieurs autres partenaires, réalise depuis quelques années des travaux expérimentaux de phytoextraction avec l’objectif global de développer des approches qui puissent être opérationnelles à court terme. Diverses espèces de plantes, Brassica, Vernonia, Minuartia, ont été testées sur des sites où les concentrations en zinc, cuivre ou plomb étaient élevées. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec la moutarde indienne (Brassica juncea) qui semble particulièrement efficace pour capter le cuivre et le plomb.
La rhizofiltration constitue un procédé similaire à la phytoextraction mais elle est généralement utilisée en milieu humide et fait davantage appel à des plantes aquatiques ou semi-aquatiques. C’est une approche qui mise sur la capacité des racines de certaines plantes à « pomper » les métaux et conséquemment à filtrer l’eau. On utilise les racines des végétaux afin d’absorber les métaux présents dans l’eau. En général, les plantes les plus efficaces sont celles qui ont des systèmes de racines très développés. On trouve de beaux exemples de rhizofiltration dans les systèmes où les plantes aquatiques sont utilisées pour le traitement des eaux usées. La fameuse plage dorée du parc Jean-Drapeau à Montréal, comporte un système de filtration naturelle des eaux du fleuve, constitué d’une série de bassins de plantes aquatiques qui semblent relativement bien fonctionner depuis plusieurs années.

La phytodégradation est plutôt applicable aux polluants organiques contenus dans les sols, tels que les produits pétroliers et les BPC. Dans ces situations, on recherchera des végétaux qui vont favoriser la dégradation de ces composés complexes en molécules moins nocives pour l’environnement. Les racines de plusieurs espèces de plantes, ont la capacité de sécréter ou d’exsuder des substances favorisant la dégradation de ce type de polluants. Le maïs (Zea mays), entre autres, est reconnu pour cette aptitude. D’autre part, on reconnaît que les plants qui produisent un système racinaire dense et compact favoriseront une plus forte abondance de micro-organismes au niveau de la rhizosphère. Ici, l’association racines/micro-organismes sera utilisée pour la dégradation des substances complexes. Dans certains de nos travaux, nous avons utilisé des fétuques (Festuca arundinacea), qui développent un système de racine (rhizosphère) très dense, pour le traitement de sols contaminés en HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques). Les expériences n’ont toutefois pas été concluantes.

Les plantes peuvent également contribuer à la volatilisation des polluants dans l’atmosphère et effectuer de la phytovolatilisation. Parmi les contaminants organiques et inorganiques présents dans les sols, certains peuvent être évaporés par la transpiration et éjectés par les stomates dans l’atmosphère. Les plantes qui ont des taux de croissance élevés et surtout des systèmes racinaires importants, comme les peupliers ou les érables argentés, seront ici recherchées.

La phytostabilisation est une méthode dite passive, car il n’y a pas décontamination du site à proprement parler, mais bien réduction marquée du danger que représentent les métaux polluants pour la santé humaine et l’environnement. En effet, la végétation implantée réduit la solubilité des métaux, les rendant ainsi moins susceptibles de s’infiltrer et de migrer dans le sol, limitant l’interaction potentielle avec les organismes qui pourraient entrer en contact avec ceux-ci. Les racines préviennent aussi l’érosion et réduisent l’écoulement des contaminants qui sont contenus dans l’eau présente dans le sol.

La faible biodisponibité des métaux : une limite au recours à la phytoremédiation

Pour être absorbés par les plantes, les métaux doivent être biodisponibles, c’est-à-dire, qu’ils doivent exister sous une forme pouvant être absorbée par la plante. Cette condition est fort importante pour que la phytoremédiation et notamment la phytoextraction, puisse s’effectuer. Ainsi, les propriétés physiques et chimiques du sol influencent grandement la biodisponibilité des éléments. La dimension et la distribution des particules du sol, le pH, la capacité d’échange cationique, la salinité, l’aération, le contenu en eau et même la température constituent un ensemble de facteurs qui vont affecter la biodisponibilité. Dans les sols alcalins de la plaine de Montréal, où les pH sont élevés, de l’ordre de 7.5 à 8.5, les contaminants sont peu disponibles pour les plantes et la phytoremédiation est difficilement réalisable sans que soient faites d’autres interventions sur le milieu pour abaisser le pH.

Dans le sol, les métaux lourds contaminants peuvent se trouver sous diverses formes. Ils peuvent former des complexes avec la matière organique, être intimement associés aux fines particules d’argile, se retrouver sous forme d’oxydes ou encore précipités sous forme de carbonates, d’hydroxydes ou de phosphates. Dans tous ces cas, les métaux seront difficilement absorbables par les plantes. En acidifiant le milieu, on pourra accroître leur biodisponibilité. En milieu plus acide, la présence d’ions H+, qui vont se lier aux particules du sol, favorise la libération des métaux accolés ou adsorbés aux particules du sol. Certaines plantes ont la capacité de sécréter ou plus exactement d’exsuder par leurs racines des substances acidifiantes qui, en libérant des protons, vont acidifier le milieu et changer la disponibilité des éléments. De telles plantes sont donc à privilégier lorsque l’on songe à faire de la phytoremédiation.

Les plantes privilégiées en phytoremédiation

• Les plantes hyperaccumulatrices

Il existe des plantes qui ont développé des qualités exceptionnelles pour tolérer et concentrer dans leurs tissus des métaux lourds (jusqu’à 5 % de leur poids sec) à des niveaux normalement toxiques pour la majorité des végétaux. Ces plantes, appelées hyperaccumulatrices, ont généralement comme origine des milieux naturellement riches en métaux lourds, comme les roches serpentines que l’on trouve en divers endroits dans le monde, comme au Mont-Albert au Québec, sur la côte ouest de Terre-Neuve de même qu’en Oregon ou dans le nord de la Californie. Ces habitats se caractérisent par la présence de fortes teneurs en nickel et en magnésium. Ainsi, on trouvera des plantes qui auront développé, par sélection naturelle, des affinités spécifiques pour un ou plusieurs métaux. Les Thlaspis, de la famille des Brassicacées, sont reconnus pour leur affinité avec le zinc, le cadmium et le nickel. La moutarde indienne (Brassica juncea) est souvent utilisée pour la phytoextraction du plomb et du cuivre.

Les plantes hyperaccumulatices sont recherchées et on continue toujours à identifier de nouvelles espèces possédant ces caractéristiques. On sera d’autant plus intéressé si la plante, en plus d’être résistante aux milieux chargés de métaux lourds, est capable de transférer les polluants à ces organes aériens (tiges et feuilles) de manière à ce que l’on puisse les récolter et progressivement décontaminer les sites pollués.

• Les plantes à croissance rapide (saules et peupliers)

Depuis plusieurs années, l’équipe de recherche de Michel Labrecque, chercheur à l’Institut de recherche en biologie végétale, s’intéresse à la culture et à la propagation d’espèces à croissance rapide tels que le saule et le peuplier. Diverses études ont été conduites exploitant les multiples qualités des espèces des genres Salix et Populus. Leur rapidité de croissance, leur capacité unique de propagation végétative (bouturage) et leur potentiel à produire des rejets après une taille sévère, font de ces espèces des outils très performants pour résoudre toutes sortes de problèmes environnementaux; restauration rapide, stabilisation de pentes ou de berges, etc. Les nombreuses études fondamentales et appliquées conduites par l’Institut de recherche en biologie végétale ont démontré que des espèces de saules et de peupliers présentaient également des qualités étonnantes pour absorber certains métaux lourds. En comparaison des espèces hyperaccumulatrices, certaines espèces de saules se sont révélées très performantes sur des sites contaminés en zinc, en plomb et en cadmium. Leur grande capacité de croissance aérienne et racinaire permettant, en effet, d’accumuler des quantités importantes de métaux. Ainsi, les concentrations dans les tissus peuvent être parfois moins élevées, en comparaison des teneurs déterminées pour des espèces hyperaccumulatrices, mais leur très grande biomasse fait en sorte que les quantités présentes dans les tissus des tiges ou des racines sont très appréciables. Dans une expérience récente réalisée sur un site contaminé dans le sud-ouest de Montréal (parc Pitt le long du Canal Lachine), des saules (Salix viminalis) se sont montrés très efficaces pour absorber le zinc du milieu contaminé en zinc. [pour un exemple voir l'article de ce dossier De l'industrialisation à la revitalisation....].

• Les champignons mycorhiziens

Plus récemment, des technologies nouvelles faisant appel aux qualités des champignons mycorhiziens ont été étudiées dans le but d’accroître les capacités des plantes à capter de plus grandes quantités de contaminants des sols pollués. Cette approche semble prometteuse car les champignons mycorhiziens peuvent, à travers la symbiose qu’ils réalisent avec les plantes, multiplier par un facteur impressionnant le volume du sol prospecté. C’est comme si, à l’extrémité de chaque racine, il se développait un réseau de minuscules mains capables d’aller chercher les éléments contaminants. La symbiose mycorhizienne offre aussi aux végétaux d’autres avantages. Il est connu que celle-ci permet aux plantes de mieux résister à la sécheresse (en permettant une meilleure absorption de l’eau) et aux maladies fongiques. L’utilisation de mycorhizes pourrait donc avoir pour les végétaux utilisés en phytoremédiation un impact, non seulement sur l’absorption de composés polluants, mais également sur leur facilité à s’établir et à survivre aux conditions difficiles qui caractérisent généralement les milieux pollués. De plus, la présence de champignons mycorhiziens peut être fort utile dans les situations où les polluants sont d’origine organique. Le réseau de mycélium pourra favoriser la dégradation de molécules complexes en composés plus facilement absorbables par les plantes.

Perspectives

À l’Institut de recherche en biologie végétale, Rosalie Lefebvre réalise sous la direction des chercheurs Michel Labrecque et Marc St-Arnaud, des travaux visant à étudier en combinaison le potentiel de plantes à croissance rapide (saules et peupliers) et celui de champignon mycorhizien (Glomus intraradices) pour décontaminer des sites pollués en cuivre, en zinc et en plomb.

Il est trop tôt encore pour tirer des conclusions de ces travaux qui ne font que s’amorcer. Toutefois, il nous semble logique de croire que le mariage de diverses technologies puisse constituer un moyen efficace pour aborder des problématiques aussi complexes. La décontamination d’habitats pollués par l’utilisation de méthodes plus douces n’est pas une chose simple.

Les milieux contaminés sont rarement de belles terres riches propices à l’établissement de plantes. Plus souvent qu’autrement ces milieux, en plus d’être pollués sont secs, compactés, mal drainés, et l’établissement de végétaux n’y est pas simple. Cependant, nous avons la conviction que la poursuite des recherches dans ce domaine devrait conduire à l’émergence de techniques plus efficaces pour débarrasser les sites contaminés des polluants qu’ils peuvent contenir.

De nos jours, les pressions populaires sont plus fortes pour que de tels milieux soient traités. Mais le public devient aussi plus exigeant et s’attend à ce que les interventions se fassent avec le moins d’inconvénients possibles pour eux et pour leur environnement. La phytoremédiation, sans être une panacée, est sans nul doute une solution qui risque de devenir de plus en plus populaire dans l’avenir.

Pour en savoir plus

Boyd, R. S and S. N. Martens. Nickel hyperaccumulation by Thlaspi montanum var. montanum (Brassicaceae): A Constitutive trait. Amer. Jour. Bot., Vol. 85 (2): 259-265.

Giasson P. et A. Jaouich. 1998. La phytorestauration des sols contaminés au Québec. Vecteur environnement 31(4):40-53.

Raskin I. and B.D. Ensley. Phytoremediation of toxic metals. John Wiley &Sons, Inc. 304pp.

Roy S., S. Labelle, P. Mehta, A. Mihoc, C. Masson, R. Leblanc, C. Gallipeau, C. Olsen, S. Delisle, M. Labrecque and C.W. Greer. 2005. Phytoremediation of heavy metal and PAH-contaminated brownfield sites. Plant and Soil 272: 277-290.

Wenger, K. L.Bigler, M.J.-F. Suter, R. Schönenberger, S.K. Gupta, and R. Schulin. 2005. Effect of Corn Root Exudates on the Degradation of Atrazineand Its Chlorinated Metabolites in Soils. J. Environm. Qual. 34 : 2187-2196.