Transfer of metallic elements to plants : mecanisms and risk assessments in environments exposed to anthropogenic activities

Les décharges de résidus riches en éléments traces métalliques (ETMs) issus des activités industrielles représentent un risque potentiel de pollution de l’environnement. Ces décharges de résidus exigent une stabilisation des ETMs pour limiter leur dispersion par l'air, le sol, et les cours d’eau, et in fine leur transport vers des zones initialement non contaminées. Cette stabilisation peut être obtenue par un couvert végétal adéquat. Ce travail de thèse a porté sur 3 sites expérimentaux, qui ont comme point commun d’être des zones de stockage de sédiments contaminés ou d’effluents industriels chargés en ETMs. L’objectif général de ce travail de thèse était d’étudier les modes de transfert et de stockage d’ETMs vers les parties aériennes de végétaux cultivés sur les sols issus de ces sites expérimentaux. Le premier objectif concernait une décharge d’effluents (Inovyn), issus de l’activité électrolytique de l’usine Solvay (Tavaux) et enrichi en Hg. Le Hg, en raison de son faible point d’ébullition est facilement transféré des sédiments vers l’atmosphère sous forme de composés volatiles. Ainsi, la couverture végétale de cette lagune est exposée par sa biomasse aérienne aux composés volatiles de Hg, mais également par la rhizosphère aux composés du Hg présents dans le substrat. Dans ce travail de thèse plusieurs espèces végétales de la famille des Salicacées (peuplier) et des Solanacées (poivron, tomate, aubergine, et tabac) ont été exposées au Hg, dans des expériences en pot, avec simple exposition à une atmosphère enrichie en Hg, ou double exposition à un sol et à une atmosphère enrichis en Hg. Dans tous les cas de figure, le transfert de Hg dans les feuilles ne se produit que par voie aérienne, et l’accumulation augmente significativement avec l’âge des feuilles. Nous avons également mis en évidence que les teneurs en Hg des fruits des Solanacées étaient environ 100 fois plus faibles que celles des feuilles, limitant ainsi le risque d’exposition au Hg par leur consommation. Nous avons par ailleurs démontré qu’une faible proportion (7%) du Hg est sous forme méthylHg dans les feuilles de peuplier, et que 16 à 26% du Hg accumulé dans les feuilles de poivron ou peuplier étaient liés à des protéines solubles. Le deuxième objectif concerne les sites de Thann (Cristal) et Fresnes sur Escaut (VNF), pour lesquels nous avons étudiés le transfert d’ETMs vers des espèces potagères, afin de mimer l’impact de ces contaminants sur les cultures en jardins potagers. Le peuplier a également été utilisé comme espèce de référence. Les quantités de masse fraîche des parties comestibles à ingérer pour atteindre la dose journalière ont été calculées pour chaque ETM. Seuls le Cd (Fresnes) et le Cr (Thann) présentaient un risque potentiel, puisqu’ils s’accumulent dans les parties consommables de ces végétaux à des teneurs élevées. Il faut toutefois noter que ces expériences ont été réalisées dans des scénarios où les conditions d’exposition étaient maximisées. Le transfert des ETMs (notamment le Cd et le Zn) vers le peuplier a confirmé des études précédentes, ce qui souligne l’importance d’une gestion adaptée de la biomasse produite sur de tels sites. D’un point de vue écologique les travaux de cette thèse confirment l’importance et la nécessité de la végétalisation des sites contaminés par des ETMs afin de limiter la dispersion des poussières, et en conséquence les ETMs aux alentours. D’un point de vue sanitaire, les travaux soulignent l’importance d’estimer le risque spécifique lié à l’ingestion d’espèces végétales d’intérêt alimentaires cultivées régulièrement par les habitants aux alentours des sites potentiellement émetteurs d’ETMs, en générant un lien entre espèce et ETMs accumulés. Ce travail apporte donc un certain nombre d’éléments pour la compréhension du devenir d’ETMs et notamment le Hg dans le système sol/plante et les risques associés à l’ingestion des parties comestibles des végétaux cultivés potentiellement contaminées.Metal trace element (HME) -free residues from industrial activities represent a potential risk of environmental pollution. These tailings dumps require a stabilization of the ETMs to limit their dispersion by air, soil, and streams, and ultimately their transport to initially uncontaminated areas. This stabilization can be achieved by adequate plant cover. This thesis work focused on 3 experimental sites, which have as common point to be contaminated sediment storage areas or industrial effluents loaded with ETMs. The general objective of this thesis work was to study the transfer and storage modes of ETMs to the aerial parts of plants grown on soils from these experimental sites. The first objective concerned a discharge of effluents (Inovyn), resulting from the electrolytic activity of the Solvay (Tavaux) plant and enriched in Hg. The Hg, because of its low boiling point, is easily transferred from the sediments to the atmosphere in the form of volatile compounds. Thus, the vegetal cover of this lagoon is exposed by its aerial biomass to the volatile compounds of Hg, but also by the rhizosphere to the Hg compounds present in the substrate. In this work, several plant species of the Salicaceae family (poplar) and Solanaceae (pepper, tomato, aubergine, and tobacco) were exposed to Hg in pot experiments, with simple exposure to a Hg-enriched atmosphere. , or double exposure to Hg-enriched soil and atmosphere. In all cases, transfer of Hg into the leaves occurs only by air, and accumulation increases significantly with leaf age. We also found that the Hg content of the Solanaceae fruit was about 100 times lower than that of the leaves, thus limiting the risk of exposure to Hg through their consumption. We have also shown that a small proportion (7%) of the Hg is in the form of methylHg in poplar leaves, and that 16 to 26% of the Hg accumulated in pepper or poplar leaves were bound to soluble proteins. The second objective concerns the Thann (Cristal) and Fresnes sur Escaut (VNF) sites, for which we have studied the transfer of ETMs to vegetable species, in order to mimic the impact of these contaminants on vegetable garden crops. Poplar has also been used as a reference species. The amounts of fresh mass of the edible parts to be ingested to reach the daily dose were calculated for each MTE. Only Cd (Fresnes) and Cr (Thann) presented a potential risk, since they accumulate in the consumable parts of these plants at high levels. It should be noted, however, that these experiments were conducted in scenarios where exposure conditions were maximized. The transfer of ETMs (including Cd and Zn) to poplar has confirmed previous studies, highlighting the importance of appropriate management of the biomass produced at such sites. From an ecological point of view, the work of this thesis confirms the importance and the necessity of the revegetation of the sites contaminated by ETMs in order to limit the dispersion of the dust, and consequently the ETMs around. From a health point of view, the work emphasizes the importance of estimating the specific risk related to the ingestion of vegetable species of interest regularly grown by the inhabitants around the sites potentially emitting ETMs, generating a link between species and accumulated ETMs. This work therefore provides a number of elements for understanding the fate of ETMs and in particular the Hg in the soil / plant system and the risks associated with the ingestion of the edible parts of potentially contaminated cultivated plants