Phytoremédiation



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Deux siècles d’industrialisation ont laissé des traces dans le sol : une impressionnante liste de polluants de toutes sortes – solvants, métaux et métalloïdes, huiles minérales, composés organiques, pesticides, produits pharmaceutiques et leurs métabolites... Ces polluants sont diffusés dans l’air, dans les eaux souterraines, sont absorbés par les plantes, les animaux, et l’Homme, mettant en jeu sa santé. L’enjeu est d’autant plus important que nombre de sites pollués se trouvent en zone urbaine où la pression foncière est extrêmement forte. Si la nécessité de « nettoyer » les sites pollués s’impose, l’opération est beaucoup plus délicate qu’il n’y paraît. Elle soulève de nombreux défis scientifiques. 

«  Par définition, la phytostabilisation (simple ou aidée) n’est pas une méthode de décontamination, mais une méthode de stabilisation in situ. Son objectif premier est donc de diminuer les risques liés à un site contaminé, en diminuant les transferts et donc l’exposition potentielle des récepteurs. Les premiers retours d’expériences issus d’observations sur sites montrent que : 

  • cette approche est effectivement efficace pour réduire l’érosion des sols et l’entrainement mécanique des contaminants. 
  • son influence sur la chimie du sol, bien que très complexe et encore mal comprise, semble également très souvent favorable à une immobilisation des ETMs, au moins lorsque des amendements adaptés sont apportés. 
  • elle réduit également l’exposition d’un certain nombre de réseaux trophiques, en recherchant une limitation des transferts vers les plantes. 

enfin elle accélère la restauration écologique des sols et des écosystèmes qui leurs sont inféodés,en favorisant l’activité microbienne.

Cependant, il est évident que, les contaminants restant en place, le succès à long terme de la phytostabilisation nécessite une stabilité des équilibres atteints. Il est donc nécessaire d’assurer un suivi régulier des sites traités, de façon à contrôler l’évolution du système » ( Efficience de la phytostabilisation sur le comportement et les transferts des éléments traces métalliques dans les écosystèmes terrestres Olivier FAURE, Marc DOUMAS, Cyrille CONORD, Jean-Luc BOUCHARDON, Francis DOUAY, Alain LEPRETRE & Renaud SCHEIFLER p 36)

La phytoremédiation est un ensemble de technologies utilisant les plantes pour réduire, dégrader ou immobiliser des composés organiques polluants (naturels ou de synthèse) du sol, de l’eau ou de l'air provenant d'activités humaines. Cette technique permet également de traiter des pollutions inorganiques (éléments traces métalliques (ETM, anciennement appelés « métaux lourds » ). Elle fait l’objet en France d’une recherche soutenue, au niveau fondamental pour l’acquisition de connaissances sur les mécanismes de tolérance, d’accumulation et d’extraction des plantes candidates en phytotechnologies, et au niveau appliqué pour la mise en œuvre et optimisation des itinéraires techniques, du semis à la valorisation de la biomasse récoltée.

Une plante est dite hyperaccumulatrice si elle peut concentrer le ou les polluants selon un pourcentage minimum variant selon le polluant concerné (exemple: plus de 1 mg/g de matière sèche pour le nickel, cuivre, cobalt, chrome ou plomb). Cette capacité d'accumulation est due à l’hypertolérance, ou phytotolérance : résultat de l'évolution adaptative des plantes à des environnements hostiles au cours de multiple générations.

Les phytotechnologies sont particulièrement bien adaptées aux sites pollués de grande superficie pour lesquels les techniques dites "conventionnelles" ne sont pas applicables en raison des coûts et des impacts environnementaux induits. A des échelles plus petites, elles peuvent également constituer des techniques alternatives douces en s’intégrant dans les plans d’aménagement urbain par exemple et dans des contextes où la durée de traitement n’est pas une contrainte.

Les différentes formes de phytoremédiation


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  1. Phytorestauration : cette technique implique la restauration complète de sols pollués vers un état proche du fonctionnement d'un sol naturel (Bradshaw 1997). Cette subdivision de la phytoremédiation utilise des plantes indigènes de la région où sont effectués les travaux de phytorestauration. Ceci dans le but d'atteindre la réhabilitation entière de l'écosystème naturel originel, du sol aux communautés végétales.  Lorsque l'on fait référence à la phytorestauration des eaux usées, on parle de phytoépuration. Ce type de procédé intègre notamment l'épuration des eaux par les macrophytes. Dans ce cas, ce sont les bactéries vivant dans la zone racinaire des macrophytes qui sont garantes de la dépollution, les plantes servent là simplement de substrat de croissance pour les micro-organismes (voir station de Honfleur).
  2. Phytoextraction : utilisation de plantes qui absorbent et concentrent dans leurs parties récoltables (feuilles, tiges) les polluants contenus dans le sol (souvent des Élément-trace métallique : ETM).  Le plus souvent les plantes sont récoltées et incinérées ; les cendres sont stockées (en CET) ou valorisées pour récupérer les métaux accumulés (on parle alors de phytominage). Bien que cette phytotechnologie présente de nombreux avantages, son développement reste limité par l’absence de procédés économiquement viables de valorisation de la biomasse résultant des programmes de phytoextraction, hautement chargée en ETM et donc considérée jusqu’à présent comme un déchet toxique. 
  3. Phytotransformation, ou phytodégradation : La phytodégradation est l'accélération de la dégradation des composés organiques polluants (hydrocarbures, pesticides, explosifs...) en présence de plantes (phragmites, saules, peupliers, aulnes, Baldingère, Iris des marais, Massette). Cette dégradation peut avoir lieu soit hors de la plante, grâce à l’activité des micro-organismes présents dans l’environnement des racines (rhizosphère), soit dans la plante après absorption du composé puis dégradation dans les cellules par des enzymes spécifiques.
  4. Phytofiltration ou rhizofiltration : utilisée pour la dépollution et la restauration des eaux de surface et souterraines. Les contaminants sont absorbés ou adsorbés par les racines des plantes en milieu humide. Bien que cette phytotechnologie présente de nombreux avantages, son développement reste limité par l’absence de procédés économiquement viables de valorisation de la biomasse résultant des programmes de phytoextraction, hautement chargée en ETM et donc considérée jusqu’à présent comme un déchet toxique
  5. Phytovolatilisation : les plantes absorbent l'eau de la lithosphère contenant des contaminants organiques et autres produits toxiques, transforment ceux-ci en éléments volatils, et les relâchent dans l'atmosphère via leurs feuilles. La phytovolatilisation n'est pas toujours satisfaisante, car si elle décontamine les sols elle libère parfois des substances toxiques dans l'atmosphère. Dans d'autres cas plus satisfaisants, les polluants sont dégradés en composants moins - ou non-toxiques avant d'être libérés.
  6. Phytostabilisation : réduit simplement la mobilité des contaminants. La technique la plus utilisée est de se servir des plantes en réduisant les écoulements de surface et de sub-surface, en limitant l’érosion, en réduisant les écoulements souterrains vers la nappe (lixiviation) et en diminuant les transferts particulaires des contaminants, par les eaux de ruissellement et l’érosion éolienne. Cette pratique intègre ce que l'on appelle communément le contrôle hydraulique, ou phytohydrorégulation


Filières de valorisation 

Toutes les phytotechnologies produisent des végétaux herbacés ou ligneux qui sont récoltés régulièrement ou non pour des besoins d’entretien, d’efficacité de la phytotechnologie mise en place ou à la fin de vie de la culture. Les parties récoltées sont susceptibles de contenir des quantités d’éléments polluants plus ou moins importantes en comparaison de celles rencontrées dans les parties récoltables de végétaux cultivés sur sols non pollués (en particulier, les éléments traces métaux et non métaux). 


Le recyclage des éléments métalliques accumulés par les plantes utilisées en phytoextraction peut reposer sur l’utilisation directe des espèces métalliques d’origine végétale comme réactifs ou catalyseurs de réactions chimiques organiques. 

Les extraits multi-métalliques obtenus offrent une opportunité unique d’exploitation de la catalyse coopérative dans laquelle la synergie et la sélectivité sont prometteuses. Cette approche originale offre la première perspective de valorisation de cette biomasse unique et initie une nouvelle branche de la chimie verte : l’Écocatalyse( voir : Claude Grison)   

Devant la demande en métaux et la raréfaction des ressources primaires, l’exploitation de ressources secondaires (hydrométallurgie) notamment pour les métaux rares est en plein essor. Dans ce contexte, l’exploitation de sols ultramafiques, riches en nickel, devient extrêmement intéressante. Le nickel est extrait des sols par des plantes hyperaccumulatrices et valorisé par un procédé hydrométallurgique original (breveté) pour produire le sel double sulfate de nickel et d’ammonium, utilisé en chimie et en traitement de surface (phytominage :  plusieurs études se sont intéressées au phytominage, mais il n'y a eu aucun succès commercial jusqu'à présent. Trois paramètres déterminent si le phytominage est une solution d'extraction rentable pour un métal donné : le prix du métal, la biomasse par unité de surface de la plante accumulatrice de ce métal la plus adaptée et  la concentration maximale que ce métal peut atteindre dans cette plante).

Avantages et limites

Les avantages :

  • Le coût de la phytoremédiation est bien moindre que celui de procédés traditionnels in situ et ex situ ;
  • Les plantes peuvent être facilement surveillées ;
  • Récupération et réutilisation de métaux de valeur (phytominage)
  • C'est la méthode la moins destructrice car elle utilise des organismes naturels et préserve l'état naturel de l'environnement (micro-organismes, animaux et structure du sol) (contrairement à l'emploi de procédés chimiques, il n'y a pas d'impacts négatifs sur la fertilité des sols) ;
  • Exploitation éventuelle des végétaux produits.


Les limites :

  • La phytoremédiation est limitée à la surface et la profondeur occupées par les racines (noter que de nombreux polluants à base de métaux restent aussi dans la couche de sol supérieure) ;
  • Croissance lente et biomasse faible demandent un investissement en temps assez important, ou/et parfois l'adjonction de chélateurs ou autres substances (pour les pollutions inorganiques comme les ETM). 
  • On ne peut pas, avec des systèmes de remédiation à base de plantes, totalement empêcher l'écoulement des contaminants dans la nappe phréatique (ceci n'est possible qu'au prix de l'enlèvement complet du sol, ce qui ne résout pas le problème de contamination dudit sol ni les problèmes afférents). 
  • Le niveau et le type de contamination influence la phytotoxicité des polluants. Dans certains cas, la croissance ou la survie des plantes peut être réduite 
  • Bioaccumulation possible de contaminants passant dans la chaîne alimentaire, du niveau des consommateurs primaires à ceux du niveau secondaire. 
  • Pour que la technique se perfectionne, une sélection végétale est indispensable. Mais cela prend du temps pour sélectionner, hybrider, reproduire, etc. De plus, les propriétés de certaines plantes ne se retrouvent pas systématiquement chez tous les individus de l'espèce ;
  • L'utilisation d'OGM pour accroître des capacités végétales est controversée, surtout en Europe ;
  • Le problème du futur des végétaux ne contenant pas de minerais commercialisables, mais des polluants devant être stockés dans un endroit où cela ne gênera personne.

Plantes et épuration de l’air interieur

En laboratoire, en enceintes contrôlées, des plantes peuvent présenter une capacité à absorber certains polluants gazeux. Dans les bâtiments, en conditions réelles d’exposition, l’efficacité d’épuration de l’air par les plantes seules est inférieure à l’effet du taux de renouvellement de l’air sur les concentrations de polluants. Autrement dit, l’aération et la ventilation restent bien plus efficaces que l’épuration par les plantes. Par conséquent, l’ADEME considère que l’argument «plantes dépolluantes » n’est pas validé scientifiquement au regard des niveaux de pollution généralement rencontrés dans les habitations et des nouvelles connaissances scientifiques dans le domaine.     Avis de l’ADEME Sept 2011

Exemple de plantes et des polluants traités

Jusqu’à récemment, les études sur la phytoextraction se focalisaient sur l’utilisation de plantes hyperaccumulatrices. Or celles-ci sont souvent de croissance lente et d’une faible production de biomasse. Ces raisons expliquent l’intérêt porté aujourd’hui aux espèces accumulatrices et capables de produire une biomasse importante sur des sols contaminés par des ETM. Pour être utilisée en phytoextraction, une espèce végétale doit en outre être tolérante aux facteurs édaphiques, accumuler les ETM dans ses parties aériennes et avoir une implantation et une propagation rapides. 

  • Chlorophytum : formaldéhyde, monoxyde de carbone
  • Epipremnum aureus : formaldéhyde, monoxyde de carbone, benzène
  • Spathiphyllum : benzène, trichloréthylène
  • Lierre (Hedera helix) : formaldéhyde, benzène, trichloréthylène
  • Langue de belle-mère (Sansevieria trifasciata) : benzène
  • Palmier-dattier (Phoenix roebelenii) : xylène et toluènes
  • Ficus benjamina : formaldéhyde
  • Dracaena marginata : benzène, formaldéhyde, trichloréthylène
  • Gerbera (Gerbera jamesonii) : formaldéhyde
  • Kentia (Howea forsteriana) : benzène, l'hexane, le toluène




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