Ingénierie écologique pour la biorémédiation des systèmes aquatiques: effets du couplage de la bioturbation avec la phytoremediation sur le cadmium et l'atrazine.

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 primarily demonstrated by individual applications on soils or water sediments. The present Ph.D. aims to demonstrate the interest of additional bioturbation combined to phytoremediation processes for the improvement bioremediation efficiency of aquatic sediments. This strategy benefits are tested experimentally in controlled laboratory conditions with a serie 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 population, 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 biological influence (plant and inveterbrate) on the mass balances and fluxes of one metal and one pesticide as models of pollutants. Cadmium as a heavy, inorganic and conservative metal pollutant was introduced as a pulse input in the overlying water of the contaminated microcosms, with a cadmium concentration of 20 µg.L-1 in at the initial time of the experiment that lasted one month. In a second experiment, atrazine was mixed in the whole sediment column at the initial time in order to reach a concentration of 5 µg.g-1 of fresh sediment as a source of organic micropollutant and herbicide in the microcosms. The pesticide was radiolabeled with 14C. Fluxes from water to sediment, and from sediment to plants were assessed in experimental conditions with several treatments (+/- plants, +/- bioturbation, +/- pollutants) allowing to demonstrate the effects of the biological influence.Our results indicated that the tubificids and the related bioremediation influences are still efficient under cadmium and atrazine contaminations in aquatic systems. Biotransport due to tubificids changed the distribution of cadmium across the sediment column and enhanced the pumping of cadmium from the water to surface sediment and then to the anoxic underlying sediment surrounding the plant roots. Thereby this biotransport increased the bioaccumulation of cadmium in the root system of Typha latifolia as demonstrated by the roots enrichment coefficients (ECR). Combining Cd contamination and bioturbation optimized 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 on the chemical properties of sediment (pH, porosity, Organic matter) is explaining the adsorption-desorption behavior of atrazine in sediment, resulting in the acceleration of atrazine mobility and bioavailability of the pesticide. The transfert of pollutant that passed from attached forms onto sediment particles into a free fraction in pore water in the sediment column was enhanced under bioturbation. Consequently higher values of atrazine were measured in the roots system with ECs of 7.16 ± 0.66 with bioturbation compared to 5.99 ± 0.64 in the treatment without bioturbation. The metabolization of the pesticides was also significantly increased under the effects of bioturbation on the sediment microbiome as demonstrated by enhanced number and quantity of metabolites in Typha latifolia roots in this treatments.Our study, therefore, highlights the potential of bioturbation addition of the phytoextraction for integrated bioremediation strategies of metallic and organic polluted sediments of aquatic ecosystems. Further researches need to take into account the bioturbation influence on the microorganism communities in the relationship with organic compounds degradation.Ce sujet de recherche vise mieux comprendre les processus de bio remédiation qui participent à la réduction des 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 les sédiments. Cette thèse a pour objectif de démontrer la participation d’une population d’invertébrés dans l’efficacité de la réduction de polluants des sédiments aquatiques en combinant le processus de bioturbation avec la phytoremédiation. Les hypotheses de recherche ont été testée expérimentalement en conditions de laboratoire 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 connue comme un ingénieur écologique. La phytoremédiation associée est effectuée par une plante aquatique Typha latifolia connue pour sa capacité à extraire 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 modèles, 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 créé par la population de tubificidae ainsi que la bioremédiation sont toujours actifs en présence de contamination ce qui confirme le potentiel de dévelopement de ces organismes 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. Les coefficients d’enrichissement des racines (ECR) pour le Cadmium sont plus élevés en présence de bioturbation. L’interaction entre l’activité des tubificidés et la contamination par le Cd depusi la colonne d’eau 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, etc.) explique les modifications observées au niveau du processus d’adsorption-désorption de l’atrazine. Il est démontré que la bioturbation par les tubificidae 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 dans les racines de typha sont également plus élevés en présence de bioturbation (7.16 ± 0.66) que sans bioturbation (5.99 ± 0.64). 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 mesurés 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 lourd 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